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Über den internen Kurzschlusstest der Batterie

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Über den internen Kurzschlusstest der Batterie

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Die Lithium-Ionen-Batterie hat die Vorteile einer hohen Energiedichte, einer langen Lebensdauer, einer hohen Nennspannung, einer hohen Leistungsaufnahmekapazität und einer geringen Selbstentladung und hat sich zur idealen Batterie für Hybrid- und reine Elektrofahrzeuge entwickelt. Das Sicherheitsproblem der Lithium-Ionen-Batterie ist jedoch der Hauptfaktor, der ihre breite Verwendung im Energiebereich verhindert.

Mit der zunehmenden Zahl von Elektrofahrzeugen treten deren Sicherheitsprobleme immer deutlicher zutage, und die Sicherheitsprobleme von Elektrofahrzeugen sind vor allem auf ihr Antriebssystem - die Lithium-Ionen-Batterien - zurückzuführen. Das Sicherheitsproblem der Lithium-Ionen-Batterie wird hauptsächlich durch Brände und Explosionen aufgrund von thermischem Durchgehen verursacht, und einer der Gründe für thermisches Durchgehen ist ein Kurzschluss innerhalb der Batterie.

Gegenwärtig konzentriert sich die Forschung zum thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich auf die Modellierung und experimentelle Analyse eines Batterietyps. In diesem Beitrag werden verschiedene Methoden für 18650-Batterien und quadratische Batterien angewandt, um das thermische Durchgehen, das durch einen Kurzschluss in der Zelle des Batteriemoduls verursacht wird, zu simulieren, und es wird untersucht, welche Methode sich für die Überprüfung des thermischen Durchgehens von Leistungsbatteriemodulen eignet.

1.Kurzschluss im Gerät

Im Allgemeinen ist das Risiko eines internen Kurzschlusses beim Missbrauchstest am größten.

Wenn die Batterie einen internen Kurzschluss hat, steigt die Innentemperatur an. Die hohe Temperatur führt zu einer Reihe von exothermen Reaktionen der Batteriematerialien, und die durch die Reaktion erzeugte Wärme erhöht die Innentemperatur der Batterie weiter und intensiviert die exotherme Reaktionsrate. Schließlich beeinflussen sich die exotherme Reaktion und die hohe Temperatur gegenseitig und führen zu einem "Runaway"-Zustand, d. h. einem thermischen Durchgehen, was zu Sicherheitsunfällen wie Verbrennung und Explosion von Lithium-Ionen-Batterien führt. Gegenwärtig wird der interne Kurzschluss der Batterie hauptsächlich durch die folgenden zwei Gründe verursacht: Die Defekte der ersten Membran, die Verschmutzung der Rohstoffe oder die Rückstände von Fremdkörpern werden während des Transports und der Nutzung der Batterie kontinuierlich verschlechtert und verstärkt.

In diesem Stadium kann selbst der Batteriehersteller mit der besten Qualitätskontrolle die im Produktionsprozess entstandenen Metallverunreinigungen oder Grate nicht vollständig vermeiden: Die Verwendung der zweiten Batterie überschreitet den vom Hersteller angegebenen Strom-, Spannungs- und Temperaturbereich. Eine in der Industrie weithin akzeptierte Methode zur Prüfung des internen Kurzschlusses sollte die folgenden Merkmale aufweisen:

(1) Sie kann sich an die veränderte Struktur und Form der Batterie anpassen (zylindrische oder quadratische Batterie kann verwendet werden)

(2) Die Prüfergebnisse sollten mit denen anderer Variablen verglichen werden können.

Verschiedene interne Kurzschlüsse können in die folgenden vier Kategorien eingeteilt werden: Minuspol zu Pluspol, Minuspol zu Aluminiumfolie, Kupferfolie zu Aluminiumfolie und Kupferfolie zu Pluspol

2.Einführung in die Kurzschlussmethode bei Einzelzellen

In diesem Beitrag werden für die Testsimulation eine Batterie des Typs 18650 und eine quadratische Batterie mit demselben positiven Material verwendet. Die Auslösemethode für den Kurzschluss in der Testbatterie ist die Erwärmung des Widerstandsdrahtes und das Eindringen eines Nagels.

(1) Widerstandsdrahterwärmung

Die Widerstandsdraht-Heizmethode wurde verwendet, um das thermische Durchgehen der Lithium-Ionen-Batterie zu simulieren, das durch die drastische Änderung der Umgebungstemperatur verursacht wird. Das Batterie-Diaphragma besteht aus einem dreischichtigen PP/PE/PP-Diaphragma, wobei der Schmelzpunkt von PP bei 165 ℃ und der von PE bei 135 ℃ liegt. Durch das Aufwickeln des Widerstandsdrahtes auf die Oberfläche der Lithium-Ionen-Batterie zur Erwärmung wird schnell eine große Menge an Wärme erzeugt, was dazu führt, dass sich die Membran verformt und zusammenzieht und die positiven und negativen Pole miteinander verbunden werden, was einen Kurzschluss in der Batterie verursacht und schließlich dazu führt, dass die Batterie die Kontrolle über die Wärme verliert.

(2) Eindringen von Nägeln

Das thermische Durchgehen der Lithium-Ionen-Batterie wird durch das Eindringen der Stahlnadel in die Lithium-Ionen-Batterie verursacht, um metallische Fremdkörper im Inneren der Batterie zu simulieren. Nachdem die Stahlnadel in die Batterie eingedrungen ist, wird sie mit den positiven und negativen Elektroden als Metallleiter verbunden, was zu einem internen Kurzschluss in der Batterie führt. Der Kurzschluss erzeugt einen hohen Strom und erzeugt schnell viel Wärme, was schließlich zum thermischen Durchgehen der Batterie führt.

3.Verfahren zur Überprüfung des thermischen Durchgehens eines Leistungsbatteriemoduls

(1) Widerstandsdrahtheizung

18650 Batterie

Für den Test wurde eine 18650er-Batterie verwendet. Der Widerstandsdraht mit einem bestimmten Innenwiderstand wird durch Berechnung auf die Oberfläche der Batterie gewickelt, und ein Temperatursensor wird außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet, und dann wird die Batterie in der Mitte des Batteriemoduls angeordnet. Die an die Batterie angrenzende Batterie ist ebenfalls mit demselben Temperatursensor ausgestattet. Nachdem die Batterien zu parallelen Modulen zusammengesetzt wurden, verwenden Sie die vom Hersteller angegebene Lademethode, um die Batterien voll aufzuladen. Schließen Sie den Widerstandsdraht an die externe Stromversorgung und den Temperatursensor an den Temperaturwächter an; zeichnen Sie den Anfangszustand des Batteriemoduls (Spannung, Temperatur usw.) auf, heizen Sie die Batterie weiter auf, bis sie ausfällt, trennen Sie die externe Stromversorgung und beobachten Sie, ob das Modul aufgrund der Hitze außer Kontrolle geraten ist.

Prismatische Zelle

Für den Test wird eine quadratische Batterie verwendet. Wickeln Sie den gleichen Widerstandsdraht um die Oberfläche der Batterie und ordnen Sie Temperatursensoren auf der Oberfläche der zu erwärmenden Batterie und den angrenzenden Batterieoberflächen an. Nachdem die Batterie ein Modul gebildet hat, laden Sie das Modul nach der vom Hersteller angegebenen Lademethode voll auf. Die Erwärmungsmethode und die Temperaturaufzeichnung sind die gleichen wie bei den obigen Tests. Heizen Sie die Batterie weiter auf, bis sie versagt. Trennen Sie die externe Stromversorgung und beobachten Sie, ob das quadratische Batteriemodul außer Kontrolle geraten ist.

(2) Nageldurchdringung

118650 Batterie

Für den Test wurde eine 18650er-Batterie verwendet. Wählen Sie den Standort der Nadelbatterie, um Temperatursensoren auf der Oberfläche dieser Batterie und benachbarter Batterien anzuordnen. Nachdem die Batterien zu parallelen Modulen zusammengesetzt wurden, verwenden Sie die vom Hersteller angegebene Lademethode, um die Batterien voll aufzuladen. Befestigen Sie das Modul auf dem Nadelständer und schließen Sie das Temperaturkontrollinstrument an. Verwenden Sie eine Stahlnadel mit einem Durchmesser von 1 mm, um die Batterie mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s zu durchstechen, bis sie Feuer fängt, und beobachten Sie, ob das Modul durch die Hitze außer Kontrolle gerät.

Prismatische Zelle

Für die Prüfung wird eine quadratische Batterie verwendet. Wählen Sie den Ort der genadelten Batterie aus, bringen Sie Temperatursensoren an den angrenzenden Batterieoberflächen an und laden Sie die Batterie gemäß der vom Hersteller angegebenen Lademethode vollständig auf, nachdem die Batterie ein Modul gebildet hat. Verwenden Sie eine Stahlnadel mit einem Durchmesser von 1 mm, um die Batterie mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s zu durchstechen, bis sie Feuer fängt, und beobachten Sie, ob das Modul durch die Hitze außer Kontrolle gerät.

4.Schlussfolgerung

Durch die Durchführung von Widerstandsdraht-Erwärmungs- und Einstichtests an einer 18650-Batterie und einer quadratischen Batterie wurde die Batterie im Modul kurzgeschlossen, und es wurde simuliert, dass die Batterie im Batteriemodul aufgrund von Hitze außer Kontrolle gerät. Die geeignete Verifizierungsmethode für die thermische Unkontrollierbarkeit wurde untersucht, und es wurden die folgenden Schlussfolgerungen gezogen:

(1) Durch den Vergleich der Nagelpenetration und der Kationendraht-Heizungstests haben wir festgestellt, dass bei demselben Batterietyp der durch die Widerstandsdraht-Heizung ausgelöste interne Kurzschluss zu einem höheren Temperaturanstieg der Batterie führt, was unserer Meinung nach auf die durch die Widerstandsdraht-Heizung eingebrachte Wärme zurückzuführen ist;

(2) Während des Erhitzungsprozesses des Widerstandsdrahtes wird viel Wärme an die benachbarte Batterie abgegeben. Wenn der Abstand zwischen den Modulen klein ist, ist es sehr wahrscheinlich, dass die erhitzte Batterie und die benachbarte Batterie außer Kontrolle geraten, was zum Scheitern der Testsimulation führen wird. Daher glauben wir, dass die Nagelpenetration Methode ist besser geeignet für die Sicherheit Überprüfung der 18.650 Batterie und quadratische Batterie-Modul außer Kontrolle Wärme;

(3) Wenn das Druckentlastungs-Sicherheitsventil in der Batterie kurzgeschlossen ist, kann es den Innendruck und die Temperatur der Batterie reduzieren, die Batterie vor einem thermischen Durchgehen schützen und eine Schutzfunktion erfüllen;

(4) Das Feuer, das durch das Versprühen von Elektrolyt bei hoher Geschwindigkeit verursacht wird, ist nicht die Hauptursache für den Temperaturanstieg und das Versagen der benachbarten Batterien.