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Prüfung der thermischen Stabilität von Lithium-Batteriepacks - Teil 1

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Prüfung der thermischen Stabilität von Lithium-Batteriepacks - Teil 1

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Seit der kommerziellen Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien hat sich die Technologie kontinuierlich weiterentwickelt und ist in Elektrofahrzeugen, bei der Energiespeicherung, in der Informationselektronik und in anderen Bereichen weit verbreitet, was die Entwicklung der menschlichen Gesellschaft erheblich gefördert hat. Gleichzeitig sind jedoch verschiedene Formen von Explosionen und Bränden aufgetreten, was zu Bedenken hinsichtlich der Sicherheit der Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien geführt hat. Frühere Forscher haben sich eingehend mit den Brandgefahren von Lithium-Ionen-Batterien befasst.

Durch die Durchführung von Brandausbreitungstests an Lade- und Wechselstationen für Elektrofahrzeuge wurde die thermische Stabilität verschiedener Arten von Lithium-Ionen-Batterien verglichen und analysiert. Es wurde festgestellt, dass die thermische Stabilität von ternären Lithiummaterialien geringer ist als die von Lithiumeisenphosphat und Lithiummanganoxid, und dass ihre Verbrennungstemperatur mit größerer Wahrscheinlichkeit in kurzer Zeit ihren Höchstwert erreicht. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass die thermische Explosionsgefahr von Lithium-Ionen-Batterien eng mit dem Ladezustand (SOC) der Batterie zusammenhängt, und die Gefahr steigt in der Regel mit der Erhöhung des SOC.

Während der Lagerung, des Transports und der Verwendung von Lithiumbatterien können diese durch unbeabsichtigte Erwärmung einer heißen Umgebung ausgesetzt werden, wodurch die Gefahr eines thermischen Missbrauchs besteht. Das Experiment zeigt, dass die äquivalente kritische Temperatur für das thermische Durchgehen von Lithiumbatterien zwischen 123,8 und 139,2 ℃ liegt. Unter überhitzten Bedingungen werden die aktiven Substanzen im Inneren von Lithiumbatterien verstärkt, was leicht chemische exotherme Reaktionen zwischen den Batteriematerialien auslösen kann, was zu einer raschen internen Erwärmung führt, die den kritischen Wert überschreitet und einen thermischen Durchbruch und die Entzündung der Batterie verursacht. Um eine überhitzte Umgebung zu simulieren, ist die externe Erwärmung eine gängige Testmethode, die die Simulation des thermischen Missbrauchsprozesses von Lithiumbatterien beschleunigen kann.

Die Literatur konzentriert sich jedoch hauptsächlich auf das thermische Durchgehen und die Verbrennungseigenschaften von einzelnen Lithium-Ionen-Batterien unter Überhitzungsbedingungen, und es gibt immer noch einen Mangel an Forschung über den thermischen Missbrauch von modularen Batteriepacks. In diesem Artikel wird ein Heizofen verwendet, um den thermischen Missbrauchsprozess benachbarter Batterien nach dem thermischen Durchgehen des ternären 18650-Lithiumbatteriepakets zu simulieren, die Verbrennungseigenschaften und das Brandverhalten des Lithiumbatteriepakets unter verschiedenen Heizpositionen und Heizleistungsbedingungen zu analysieren und eine theoretische Anleitung und Datenunterstützung für die sichere Verwendung des ternären 18650-Lithiumionenbatteriepakets und die Entwicklung einer effizienten Feuerlöschtechnologie zu liefern.

1 Testvorbereitung

1.1 Batterietyp

In diesem Artikel wird ein ternärer Lithium-Ionen-Akkupack mit einer Länge von 240 mm, einer Breite von 220 mm, einer Höhe von 85 mm und einem Gewicht von 7 kg als Forschungsobjekt verwendet. Die Spannung des Akkupacks beträgt im Normalbetrieb 48 V bei einer Nennkapazität von 30 Ah. Er besteht aus 156 (12 x 13) Standard-Akkuzellen des Typs 18650 mit einer Höhe von jeweils 65 mm und einem maximalen Durchmesser von 18,4 mm. Entfernen Sie vor dem Test die äußere Verpackung des Akkupacks, da sie aus flammhemmendem Material besteht und die Lithiumbatterie nicht durch äußere Erwärmung entzünden kann. Darüber hinaus bleiben die internen Schaltkreise und das Batteriemanagementsystem unverändert, und der Ladezustand (SOC) der Batterie beträgt 100 %.

1.2 Testaufbau

Der gesamte Test wurde in einem engen Raum mit einer Länge von 12 Metern, einer Breite von 2 Metern und einer Höhe von 2,4 Metern durchgeführt, wie in Abbildung 2 dargestellt. An beiden Längsseiten des engen Raums befinden sich Türen, die während des Versuchs geschlossen bleiben.

Ein 1,2 m langes und 0,6 m hohes Beobachtungsfenster ist in der Mitte der Seite angebracht, und ein Rauchabzugsgebläse ist an der Oberseite der gegenüberliegenden Wand installiert, um die Belüftung während des Versuchs aufrechtzuerhalten. Insgesamt 11 Wassernebeldüsen sind auf der Oberseite des geschlossenen Raums mit einem Abstand von 1 m zwischen den Düsen installiert, um Wassernebel-Feuerlöschversuche durchzuführen und als Backup-Feuerlösch- und Kühlmaßnahmen zu dienen, um eine unkontrollierte Verbrennung bei Bränden zu verhindern.

Legen Sie die Lithiumbatterie waagerecht auf eine Halterung, wobei der Pluspol nach oben zeigt. Bei der Halterung handelt es sich um eine Gitterstruktur, die eine Erwärmung von der Unterseite der Batterie her ermöglicht. Bei dem Test wurden zwei Heizmethoden verwendet:

(1) Der Heizofen befindet sich an der Unterseite der Lithiumbatterie, und die Heizfläche des Elektroofens ist 8 cm von der Unterseite der Batterie entfernt. Er erwärmt kontinuierlich die negative Elektrode auf der Unterseite der Batteriezelle;

(2) Der elektrische Heizofen befindet sich an der Seite der Lithiumbatterie in einem Abstand von 8 cm und beheizt kontinuierlich die Seite der Batterie. Die effektive Heizfläche des elektrischen Heizofens ist 12 cm lang, 12 cm breit und hat eine Fläche von 144 cm ²， Die Heizleistung ist von 0 bis 2000 W einstellbar.

Um eine externe Wärmequelle zum Erhitzen der Lithiumbatterie zu nutzen und eine Zündung zu bewirken, muss der Elektroofen für eine kontinuierliche Erwärmung geöffnet werden, bis die Lithiumbatterie Feuer fängt, dann wird der Strom abgeschaltet und die Erwärmung beendet.

Bei dem Test wurden vier K-förmige gepanzerte Thermoelemente (T 1, T 2, T 3, T 4) mit einem Durchmesser von 1 mm im Inneren des Batteriepacks angeordnet. Die Thermoelemente befanden sich in der Mitte der Batteriezelle, 30 mm vom Boden entfernt, um Temperaturänderungen an verschiedenen Stellen des Batteriepacks zu erfassen. Für die Bodenheizung und die Seitenheizung war die Anordnung der Thermoelemente jedoch nicht identisch. Außerdem wurde eine hochauflösende Kamera an der Vorderseite installiert, um den Verbrennungsprozess des Batteriepacks aufzuzeichnen.

1.3 Testbedingungen

Es wurden insgesamt 5 Tests durchgeführt. Die Erhitzungsmethode für die Tests 1-3 ist die Bodenerhitzung, während die Seitenerhitzung für die Tests 4 und 5 verwendet wird, hauptsächlich um den Einfluss verschiedener Erhitzungspositionen auf die Verbrennungsausbreitungseigenschaften von Lithiumbatteriepacks zu untersuchen. Auf dieser Grundlage wurde eine Reihe von Feuerlöschversuchen, nämlich Test 3, unter Verwendung von Wassernebel als Löschmethode durchgeführt. Test 1 und 2 wurden unter Verwendung der Bodenheizungsmethode wiederholt. Darüber hinaus wurden die Tests 3 und 5 mit einer höheren Heizleistung von 2 kW im Vergleich zu den anderen drei Gruppen durchgeführt, um die Veränderungen der Innentemperatur und der Verbrennungseigenschaften von Lithium-Batteriepacks unter der Bedingung einer zunehmenden externen Wärmequellenleistung zu untersuchen.