广告

如何防止锂离子电池热失控?

时间:2019-01-31 作者:Andreas Mangler、Roland Hofmann等 阅读:
被称为是“用火焰通风(venting with flame)”的热失控(thermal runaway),温度是决定性因素。
EETC https://www.eet-china.com
特斯拉(Tesla)汽车与其他大多数电动车、电动自行车、电动滑板车、电动堆高机,以及电动工具一样,都使用锂离子电池作为储能介质。通常,它们使用由数个电池和电池管理系统所组成的电池组,电池管理系统可确保电池保持在指定的工作参数范围内工作。为了达成此一目的,要能够非常精确地测量充电电流和放电电流、电池电压和温度。至于也被称为是“用火焰通风(venting with flame)”的热失控(thermal runaway),温度是决定性因素。
 
锂离子电池的工作温度范围很窄,在+15~+45℃之间。电池单元的功能安全、使用寿命和循环稳定性,以及电池和整个电动车或电动工具系统的功能安全,在很大程度上取决于是否能把电池单元维持在参数范围内。如果温度超过临界水平,便会发生热失控。

 

何谓热失控?

锂离子电池的热失控会引发停不下来的连锁反应,温度在几毫秒内迅速上升,电池中储存的能量突然被释放,因而产生大约400℃的高温,使得电池变成气体,从而造成几乎不能以常规方式扑灭的火灾。热失控的风险从温度在60℃时开始,而在100℃时变得非常关键,电池实际会在何时着火,则要视具体的情况而定。
 
锂离子电池的热失控如何产生?导致锂离子电池发生热失控的几项因素如下:
 
˙内部短路:由于事故或类似的机械冲击,例如如果工具从很高的地方跌落下来,导致电池变形,材料会渗入电池并引发内部短路。
 
˙外部短路:电池单元变形,引起外部短路。
 
˙电池过度充电超过数据表中所规定的最大电压,例如为了增加电动车的续航里程而过度充电。视过度充电的程度,电池可能会永久损坏,或使电池的使用寿命缩短。
 
˙电池充电或放电时的电流过大,例如快速充电时。

 

如何降低风险?

为了把热失控的风险降至最低,必须确保电池的机械和热稳定性。这项要求可藉由对电池单元和电池组的适当监控机制来达成。
 
电池单元
 
电池单元的监控至关重要。由于骨牌效应,如果一个电池单元发生热失控,随后就会扩及到其他电池单元、整个电池,乃至于整台电动车或整个电动工具。圆柱形18650锂离子电池具有出色的机械和热力学性能:
 
˙它们的金属外壳使其坚固耐用,并且可用作散热器。
 
˙缠绕结构可将阳极和阴极分开多次,从而提高安全性。
 
其他优势包括它们相对较具有成本效益,并且长久以来都是采用相同的外形尺寸。三星(Samsung)SDI可提供高质量的圆柱形18650锂离子电池。
 
battery19013102.jpg
三星SDI圆柱形18650锂离子电池
 
但是,18650锂离子电池也会发生热失控,因此,热管理系统是不可或缺的。由于热失控会在极短的时间内被触发,而后无法停止,因此,除了全面的热力学技术外,快速和精确的测量对于锂离子电池结构也是非常关键。罗姆半导体(Rohm)、Sensirion和意法半导体(STMicroelectronics)等公司皆可提供各自的传感器产品。例如Sensirion的STS3x传感器的响应时间只要2秒,精准度高达±0.1℃。在理想情况下,在每个电池单元上会有三个温度传感器,建议每个电池单元至少使用一个传感器,每个电池组至少使用一个或两个传感器。
 
电池组
 
电池单元的数量和配置,在电池组中扮演着吃重的角色:
 
˙把二十四个锂离子电池排成一列:温度分布相对均匀。
 
˙3×8锂离子电池:内部热点。
 
˙5×5锂离子电池:内部温度较高的热点。
 
液体冷却系统、风扇、导热板和导热膜可冷却电池,或耗散来自热点的热。风扇尺寸为2cm~14cm,高度则介于10mm~38mm之间,某些具有整合式脉冲宽度调变(PWM)、速度测量、速度计讯号或自动重启功能。其中,凯美电机(Jamicon)或台达电子(Delta Electronics)提供的多款产品还具有客制化的连接器。
 
除了电池单元的配置之外,在使用风扇时,风扇的配置也很重要。测试结果显示,当以1倍、2倍和3倍的额定电流对电池放电时,会出现令人惊讶的温度分布,并且可能产生危险的热点。因此,在设计配有风扇的电池时,不能只依靠假设来设计,而是需要进行精确的测量或使用现有的调查数据。
 
为了有效地散热,推荐要使用导热膜。松下(Panasonic)10μm~100μm既薄且轻的热解石墨片(PGS)可提供特别高的导热性(高达1,950W/mK)。
 
除了PGS外,还有一种NASBIS绝缘薄膜可减少热点的热量。将NASBIS薄膜放在电池单元之间,以防止电池单元的热失控扩及到相邻的电池单元,乃至于整组电池,其0.02W/mK的导热性比空气的低,因此可用于隔热。NASBIS薄膜非常薄而且有弹性,所以可应用在狭窄的空间中。

 

锂离子电池的专业知识

开发人员可在儒卓力找到开发锂离子电池所需的一切大大小小组件,包括电池单元、温度传感器、风扇、导热膜、绝缘薄膜,以及电池管理系统的所有其他组件,并且还可获得全面的锂离子电池专业知识。
 
儒卓力透过自己的调查研究,以及与多家大学的合作,广泛深入地研究电池单元的功能、电池的设计,以及电池管理系统的优化。
 
EETC https://www.eet-china.com
本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
广告
相关新闻
广告
广告
广告
广告