向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了
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。
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。
 
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。
您可能感兴趣的文章
  • 功耗最低的PCIe Gen4 NVMe SSD控制器面世 新款Marvell SSD控制器系列包括88SS1321、88SS1322和88SS1323,是业内首款采用12nm工艺技术制造的PCIe Gen4 DRAM和DRAM-less SSD控制器。该控制器系列的支持范围涵盖所有现有和新兴的m.2(22110 至 2230)、BGA、EDSFF和U.2 SSD尺寸,是云数据中心服务器计算存储、企业开机驱动设备、PC客户端存储和游戏存储,以及新兴工业和边缘设备应用的理想选择。
  • 如何让MCU进入睡眠状态节省能耗? 我们探讨过在每种Arm Cortex-M处理器上可以找到的低功耗模式的基本原理,以及如何使用WFI和WFE指令让处理器进入睡眠模式。实际上我们真正要了解的是,低功耗模式如何在真正的微控制器上实现?这些模式是如何影响嵌入式系统的?在这篇文章中,我们将更详细探讨如何让微控制器进入睡眠状态并看看到底能够节省多少能耗。
  • 特斯拉只租不卖,马斯克宣称“完全自动驾驶”将完全改变 特斯拉CEO马斯克表示到2020年将有100万辆特斯拉robotaxi上路提供“无人驾驶出租车”业务。然后特斯拉有可能彻底改变模式,不再卖车给消费者。这将彻底颠覆出行市场和传统汽车行业。但是,多位Autopilot研发要员离职,“完全”自动驾驶何时能够实现?
  • 空调能耗靠什么降?难怪做芯片的格力要举报奥克斯 6月10日下午,格力电器在微博上实名举报奥克斯销售不合格空调产品。举报信中称经过实测,奥克斯空调标称的能效值、制冷消耗功率和实测的结果差距较大。虽然奥克斯马上发表回应,称举报不实,并已报警,但格力方面毫不退让,表示已准备好充分证据。双方争执的空调能耗指标,主要由哪部分器件决定呢?是否与去年格力高调宣布自研的芯片有关?
  • 英商Dialog CEO:中美技术战,我站中国 英国最大的独立微芯片公司CEO说,如果技术贸易战升级,电子行业将别无选择,只能同中国一起对抗美国,因为“所有元件都在中国和亚洲制造。”
  • 具备这四个特征,才有资格称为下一代无线充电技术 在技术上有突破之后,其应用场景就有了无线的想象空间。那么是不是可以从原来比较有限的市场应用,逐步拓展到多场景无线充电自由能量供应的应用上去?有没有可能在比较多的场景里都进行无线充电自由能量获取的应用呢?
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告