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Li-Ion Power Battery Crush Test - Teil 1

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Li-Ion Power Battery Crush Test - Teil 1

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Geleitet und unterstützt von der Politik sind Elektrofahrzeuge in eine Phase der schnellen Entwicklung eingetreten. Die Regierung und die großen Motorenhersteller haben entsprechende Entwicklungspläne für Elektrofahrzeuge formuliert. In der Zukunft werden Elektrofahrzeuge die traditionellen Kraftstofffahrzeuge allmählich ersetzen. Nach einer Reihe von gemeldeten Zusammenstößen mit Elektrofahrzeugen kam es jedoch erneut zu Bränden und sogar Explosionen, so dass sich die Menschen auf die Sicherheit von Elektrofahrzeugen konzentrieren. Bei Elektrofahrzeugen wird hauptsächlich die Batterie als Stromquelle verwendet, was zu einer Reihe von Problemen führt, wie z. B. dem Batteriepaket, dem Hoch- und Niederspannungskabelstrang und dem Schutz der Lastenden. Aufgrund der Eigenschaften der integrierten Hochspannung und der hohen elektrischen Energie müssen die Anordnung des Akkupakets im Fahrzeug und der Kollisionsschutz besonders berücksichtigt werden.

Die bestehenden Gesetze und Vorschriften enthalten entsprechende Normen für die Erkennung von mechanischem Missbrauch von Batteriepacks. Unter realen Straßenbedingungen sind die Formen von Autounfällen jedoch unterschiedlich, und es besteht die Gefahr, dass die Akkus nach der Kollision von Fahrzeugen gequetscht werden, was zu Feuer und Explosion führt. Daher ist es notwendig, die Kollisionssicherheit von Energiebatterien zu untersuchen.

Einige Wissenschaftler haben die Sicherheit von Batterien anhand der in den Batterien verwendeten Komponenten untersucht, z. B. Elektrodenmaterialien, Separatoren und Elektrolytkomponenten. Es gibt auch eine Reihe von experimentellen Studien über die Leistungsbatterie, wie z. B. Eindrück-, Dreipunktbiege-, Akupunktur- und Fallgewichtstests, um die mechanische Reaktion der Leistungsbatterie unter Belastung zu untersuchen. Die Simulationsanalyse der Struktur des Batteriepakets und des Aufprallverhaltens von Fahrzeugen mit neuer Energie wird ebenfalls durchgeführt, um Leitlinien für die strukturelle Sicherheitskonstruktion von Fahrzeugen mit Energiebatterien zu liefern.

In dieser Arbeit wird ein bestimmter Typ einer Lithium-Ionen-Batterie als Forschungsobjekt verwendet, und der Extrusionstest wird in verschiedenen Richtungen der Zelle durchgeführt. Durch die Erfassung von Extrusionsdruck-, Temperatur- und Spannungsdaten wird die Richtung des schwachen Widerstands gegen die Extrusion der Zelle ermittelt. Anschließend wird die Extrusionsschadentoleranz der Zelle durch die Analyse der verschiedenen Belastungsbedingungen bestimmt. Zweitens wird die Extrusionsbeständigkeit der Module in verschiedenen Richtungen analysiert.

1.Thermisches Durchgehen der Leistungsbatterie

Am Beispiel der Lithium-Ionen-Batterie zeigt sich, dass ihr Hauptarbeitsmechanismus die Delithierung und Lithiumeinlagerung von Kathoden- und Anodenmaterialien sowie die Übertragung und Diffusion von Lithiumionen in Elektrolyt (Masse) und Diaphragmamaterialien umfasst. Die meisten Sicherheitsprobleme von Leistungsbatterien stehen in direktem Zusammenhang mit der Materialzusammensetzung der Batterie. Bei mechanischem Missbrauch, wie z. B. Überhitzung der Batterie, Überladung, Entladung, Stößen, Extrusion usw., kommt es zu chemischen Reaktionen zwischen den internen Batteriematerialien, die zu einer unkontrollierten Erwärmung und schließlich zu Brand- und Explosionsunfällen führen.

Nach einem Unfall mit einem Auto verformt sich die Batteriestruktur, nachdem sie aufgeschlagen und zusammengedrückt wurde, was zum Versagen der internen Komponentenmaterialien führt, einschließlich des Bruchs der Membran oder des Bruchs der Kathoden- und Anodenmaterialien, was zu einem internen Kurzschluss führt. Wenn die Temperatur zwischen 80 ℃ und 120 ℃ liegt, zersetzt sich die feste Elektrolyt-Grenzfläche (SEI) zuerst.

Wenn die Zersetzungsreaktion der SEI-Membran ein gewisses Ausmaß erreicht hat, kommt es zu einer Reihe von chemischen Folgereaktionen. Das thermische Durchgehen einer Lithium-Ionen-Batterie lässt sich je nach Temperaturanstieg in die folgenden fünf Reaktionsstufen unterteilen: Zersetzungsreaktion der SEI-Membran, Reaktion der negativen Elektrode und des Elektrolyten, Zersetzungsreaktion der positiven aktiven Substanz, Klebstoffreaktion und Zersetzungsreaktion des Elektrolyten. Die wärmeerzeugende Reaktion im Inneren der Batterie erzeugt auch eine große Menge an Gas, und der Druck im Inneren der Struktur steigt schnell an und nimmt zu; wenn der Druck die Belastungsgrenze der Struktur erreicht, kann es zu Feuer und Explosion kommen. Wenn eine einzelne Batterie ausfällt, breitet sich das Problem auch schnell auf benachbarte Batterien aus, was zum Ausfall des gesamten Batteriesystems führt und schwerwiegendere Folgen hat.

Wenn die Batterie kurzgeschlossen wird, beginnt die Spannung zu sinken und die Temperatur zu steigen, so dass Temperatur und Spannung als Beurteilungsgrundlage für den Ausfall der Batterie dienen können. In Anbetracht der Tatsache, dass die Temperatur nach einem internen Kurzschluss nur für eine gewisse Zeit auf die Batterieoberfläche übertragen werden kann und stark von der Umgebungstemperatur beeinflusst wird, ist die Spannung im Vergleich zur Temperatur ein Parameter, der relativ schnell und genau das Kurzschlussversagen der Batterie beurteilen kann. Der kritische Wert des Extrusionsversagens dieser Art von Batterie kann durch den Anstieg der Temperatur und den Beginn des Spannungsabfalls bestimmt werden.

Abbildung 1 zeigt die Temperatur- und Spannungsdaten, die während des Prozesses des thermischen Durchgehens der im Test gequetschten Zelle erfasst wurden. Innerhalb von 0~36s wird die Zelle bis zu einem gewissen Grad gequetscht, die Spannung ist immer noch stabil bei 4,14V, und die Batterietemperatur beträgt 26,2 ℃; Während 37-38s fällt die Spannung auf 2mV, und die Batterietemperatur steigt auf 30,5 ℃; Wenn die Belastung 50s erreicht, ist die gemessene Spannung immer 2 mV, und die Temperatur steigt auf 131 ℃. Zu diesem Zeitpunkt wird beobachtet, dass eine große Menge an Rauch aus der Zelle emittiert wird; Während 50~51s, stieg die Batterietemperatur von 131 ℃ bis 614 ℃, und dann Feuer und Explosion aufgetreten.

Abbildung 2 zeigt das Phänomen von Rauch, Feuer und Explosion, wenn die Extrusionshitze einer einzelnen Batterie im Test außer Kontrolle gerät.

2.Power Battery Crush Test

Die Leistungsbatterie ist im Allgemeinen unter dem Fahrzeugboden angeordnet. Bei einem Frontal- oder Heckaufprall ist vor und hinter dem Fahrzeug ausreichend Platz für die Energieabsorption, die strukturelle Verformung des Bodens ist gering, und die Batterie wird nicht durch Extrusion beschädigt; bei einem Seitenaufprall des Fahrzeugs ist der seitliche Energieabsorptionsraum jedoch gering, und die Aufprallkraft wird über die Schwelle auf den Bodenträger, den Mittelkanal und andere Bereiche übertragen. Das Akkupaket kann leicht gequetscht und beschädigt werden, wodurch die internen Module und das Monomer beschädigt werden. Daher kann es eine Grundlage für die sichere Auslegung von Batteriepacks und die Fehlerbeurteilung in der Simulation bieten, um die Extrusionsschadentoleranz einzelner Zellen zu bestimmen, indem die Beschädigung und der Ausfall von Batteriezellen und -modulen unter Extrusionsbedingungen getestet und untersucht werden.