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Sicherheitstest für Lithium-Power-Batterien

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Sicherheitstest für Lithium-Power-Batterien

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Im Vergleich zu Anwendungen wie Laptops, Mobiltelefonen und festen Zwecken wie Energiespeicherung und Notstromversorgung ist die Einsatzumgebung von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge komplexer, vielfältiger und anspruchsvoller. Zum Beispiel müssen die Batterien für den Betrieb einem breiten Temperaturbereich ausgesetzt werden, die Batteriepacks müssen während des Fahrzeugbetriebs längeren Vibrationen standhalten und erfordern eine hohe Lade- und Entladerate. Eine hohe Lade- und Entladerate kann zu einem Anstieg der Wärmeentwicklung innerhalb der Batterie führen. Wenn das Wärmemanagementsystem die Batterie nicht rechtzeitig aufheizen kann, können die hohen Temperaturen verschiedene Nebenreaktionen im Inneren der Batterie verursachen, wie z. B. die Zersetzung der SEI-Schicht, die Reaktion der negativen Elektrode und des Elektrolyten, die Zersetzung des Elektrolyten usw., was schließlich zum thermischen Durchgehen führt.

Sobald die Batterie in das Stadium des thermischen Durchgehens eintritt, besteht in kurzer Zeit die Gefahr von Feuer und Explosion. Im Gegensatz zu Batterien, die in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden, haben die in Elektrofahrzeugen verwendeten Batterien eine geringere Fehlertoleranz. Bei einer 18650er-Batterie beispielsweise liegt die Wahrscheinlichkeit eines internen Spontanversagens (auch als Feldversagen bezeichnet) zwischen 1 zu 40 Millionen und 1 zu 10 Millionen, was für Produkte der Unterhaltungselektronik relativ zuverlässig ist. Bei der Verwendung in Elektrofahrzeugen muss jedoch selbst einer so geringen Wahrscheinlichkeit eines spontanen Ausfalls ausreichend Aufmerksamkeit geschenkt werden, da die Anzahl der Batteriezellen im Akkupack in der Regel Hunderte oder sogar Tausende beträgt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verbesserung der Sicherheit von Stromversorgungsbatterien als eine der Kernkomponenten von Elektrofahrzeugen von größter Bedeutung für die Entwicklung der Elektrofahrzeugindustrie ist. Daher ist es besonders dringend, die Sicherheitsprüfung und -bewertung von Leistungsbatterien effektiv durchzuführen. In diesem Artikel werden das derzeitige Normsystem und die entsprechenden Forschungsergebnisse kombiniert, um die aktuellen Sicherheitsbewertungsmethoden für Leistungsbatterien zu analysieren und zusammenzufassen, in der Hoffnung, nützliche Hinweise und Leitlinien für die Einführung wissenschaftlicherer quantitativer Prüf- und Bewertungsmethoden zu liefern.

1 Sicherheitsprüfung von einzelnen Leistungsbatterien

1.1 Prüfnorm

Die Möglichkeit eines Brandes, einer Explosion usw. ist bei der korrekten Verwendung von Leistungsbatterien mit hohem Kontrollniveau äußerst gering. Nur wenn die Batterie im tatsächlichen Gebrauch die Zustandsgrenze überschreitet, z. B. durch Überladung, Kurzschluss oder Überhitzung, kann es möglicherweise zu einem thermischen Durchgehen der Batterie kommen

Obwohl das thermische Durchgehen von Batterien eine anormale Situation ist, sind der Betriebszustand und die tatsächliche Nutzungsumgebung von Stromversorgungsbatterien in Fahrzeugen komplex und variabel, so dass die Forschung über das thermische Durchgehen von Batterien nicht ignoriert werden kann. Durch die Untersuchung des thermischen Durchgehensverhaltens von Batterien können wir nicht nur die Merkmale des thermischen Durchgehensprozesses von Batterien verstehen, Sicherheitsrisiken in der tatsächlichen Nutzung frühzeitig erkennen und Sicherheitsrisiken reduzieren, sondern auch wirksame Maßnahmen ergreifen, um zu verhindern, dass sich Unfälle weiter ausbreiten, wenn die Batterie thermisch durchgeht, und so eine starke technische Unterstützung für Rettungsmaßnahmen bieten

1.2 Prüfung der thermischen Stabilität

Die Sicherheit von Leistungsbatteriezellen lässt sich in Abhängigkeit von der eingebrachten Energiemenge oder den Einflussfaktoren in die intrinsische Sicherheit (thermische Stabilität) und die auslösende Sicherheit (einschließlich des thermischen Durchgehens durch externe Faktoren wie Überladung, Erhitzung, Durchschlag, Kurzschluss usw.) unterteilen. Für erstere ist ein beschleunigtes adiabatisches Kalorimeter eine effektive Charakterisierungsmethode. Die Temperatur- und Temperaturänderungskurven während der thermischen Stabilitätsentwicklung verschiedener auf dem Markt befindlicher Lithium-Ionen-Batterieprodukte (wobei es sich bei den Proben A, C und D um ternäre Kohlenstoffsystembatterien und bei Probe B um Lithium-Eisenphosphat-Kohlenstoffsystembatterien handelt). Die intrinsischen thermischen Runaway-Eigenschaften von Leistungsbatterien umfassen hauptsächlich sechs typische Phasen, nämlich Kapazitätsabfall, selbst erzeugte Wärme, Schmelzen der Membran, interner Kurzschluss, schneller interner Temperaturanstieg und Restreaktion.

Darüber hinaus ist bei Lithium-Ionen-Batterien mit unterschiedlichen Materialsystemen die Inkubationszeit, die für ein thermisches Durchgehen der Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie (Probe B) erforderlich ist, am längsten, und die Wendepunkttemperatur für ein schweres thermisches Durchgehen ist am höchsten (unter Verwendung von 10 ° min als Kriterium für ein schweres thermisches Durchgehen)

Im Vergleich zu frischen Batterien ist die Analyse der thermischen Stabilität von Batterien während ihres gesamten Lebenszyklus ebenso wichtig. Vergleich der Entwicklungskurven der thermischen Stabilität einer bestimmten Lithium-Ionen-Batterie bei unterschiedlichen Zykluszeiten. Aus der Gesamtsituation ergibt sich, dass es bei den Temperaturknotenpunkten auf den Kurven des thermischen Durchgehens für verschiedene Zykluszeiten erhebliche Unterschiede gibt. Mit zunehmender Zyklenzahl sinkt die Zersetzungstemperatur des SEI-Films allmählich, und die Zeit bis zum thermischen Durchgehen der Batterie wird immer länger, so dass sie immer anfälliger für ein thermisches Durchgehen wird. Dies macht es erforderlich, dass bei der Entwicklung und Verwendung von Energiebatteriesystemen die tatsächliche Situation der Batterie in der späteren Phase ihrer Lebensdauer vollständig berücksichtigt wird, um Sicherheitsrisiken wie den Ausfall der Batterie nach einer gewissen Nutzungsdauer zu vermeiden.

1.3 Thermischer Durchbruchtest

Die Forschung über die Auslösemethode des thermischen Durchgehens in Leistungsbatterien wurde bereits erwähnt. Energiebatterien sind während ihres Einsatzes verschiedenen Umgebungen und Arbeitsbedingungen ausgesetzt, so dass es notwendig ist, die Sicherheit ihrer Auslösung zu untersuchen und zu überprüfen. Zu den derzeit in der Industrie gebräuchlichen Auslösemethoden für thermisches Durchgehen gehören vor allem Überladung, Erhitzung und Vernadelung. Die Eigenschaften von drei typischen Methoden zur Auslösung von thermischen Durchschlägen werden verglichen. Zu den anderen Auslösemethoden, die sich noch in der Erprobungsphase befinden, gehören interne Kurzschlüsse, die hauptsächlich auf der Einbettung von Speichermetallen, Phasenwechselmaterialien usw. im Inneren der Batterie beruhen, um eine kontrollierbare Auslösung von Kurzschlüssen im Inneren der Batterie zu erreichen. im Inneren der Batterie, um eine kontrollierbare Auslösung von internen Kurzschlüssen zu erreichen. Die Auslösewahrscheinlichkeit, die Wiederholbarkeit und die Positionsfreiheit dieser Methode sind relativ hoch, aber aufgrund der Tatsache, dass sie im praktischen Betrieb nur von der Batteriefabrik modifiziert werden kann, ist ihre Umsetzung aus Sicht der Anwendung schwierig und begrenzt.

Durch die Auswahl von mehr als zehn typischen, auf dem Markt erhältlichen Produkten und die Durchführung experimenteller Untersuchungen zu den drei oben genannten typischen Auslösemethoden wurde festgestellt, dass es zwischen den drei Auslösemethoden gewisse Unterschiede in der Wahrscheinlichkeit der Auslösung des thermischen Durchgehens der Probe gibt. Das heißt, die Erhitzungsmethode kann bei allen Proben ein thermisches Durchgehen auslösen, die Akupunktur kann fast bei allen Proben ein thermisches Durchgehen auslösen, und die Überladung kann nur bei 46 % der Proben ein thermisches Durchgehen auslösen. Der Hauptgrund dafür liegt in der Struktur von quadratischen und zylindrischen Batterien. Eine Überladung kann interne Schutzmechanismen auslösen, die ein thermisches Durchgehen verhindern.

1.4 Thermisches Durchgehen von Energiebatteriezellen während des gesamten Lebenszyklus

Mit zunehmender Anzahl von Batteriezyklen kann es zu Verschlechterungsphänomenen wie SEI-Filmveränderungen, Lithiumdendritenwachstum und Membranmikroporen im Inneren der Batterie kommen, die zu einer Abnahme der Sicherheit der Batterie führen können. Daher ist die Untersuchung der Entwicklungscharakteristiken der Sicherheit von Leistungsbatterien während ihres gesamten Lebenszyklus von großer Bedeutung für die sichere und zuverlässige Anwendung von Produkten. Das Entwicklungsgesetz der Kurzschlusssicherheit einer bestimmten Lithium-Ionen-Batterie mit der Anzahl der Zyklen zeigt, dass sich die Sicherheit der Batterie stark verschlechtert, wenn die Anzahl der Zyklen 1000 erreicht.

Insgesamt wurde durch statistische Analyse der Sicherheit einer großen Anzahl von Proben unter verschiedenen Zyklen von Durchschlag, Erwärmung und Überladung festgestellt, dass die Sicherheitsentwicklung einiger Lithium-Ionen-Batterien ein klares Muster zeigt, d.h. die Sicherheit verschlechtert sich plötzlich nach Erreichen eines bestimmten Alterungszustandes. Gleichzeitig weist eine kleine Anzahl von Proben eine Besonderheit auf, deren Sicherheit sich mit zunehmender Zykluszeit nicht wesentlich verschlechtert. Daher ist es notwendig, Bewertungen für spezifische Objekte mit spezifischen Materialsystemen und strukturellen Designs durchzuführen, um die notwendigen Anhaltspunkte für die Gestaltung von Batteriemanagementsystemen und Sicherheitsschutzmaßnahmen während des gesamten Lebenszyklus zu liefern.

2 Sicherheitsprüfung von Energiebatteriesystemen

2.1 Prüfnorm

Der Zweck der Sicherheitsprüfung besteht darin, die Sicherheit des Batteriesystems im Falle eines Missbrauchs und vor allem die Fähigkeit des Batteriesystems, die Fahrgäste in gefährlichen Situationen zu schützen, zu überprüfen. Dazu gehören vor allem die mechanische und umwelttechnische Simulation verschiedener Bedingungen und die Überprüfung der Zuverlässigkeit des Batteriesystems bei Vibrationen, die mechanische Simulation von Zusammenstößen, Stürzen, Quetschungen und anderen Situationen

Bei der Umweltsicherheitsprüfung werden verschiedene Umgebungsbedingungen simuliert, um die Sicherheit von Batteriesystemen in Umgebungen mit hohen und niedrigen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit, plötzlichen Temperaturschwankungen, Salzsprühnebel, Feuer und Wassereinbruch zu überprüfen.

Bei der Zuverlässigkeitsprüfung des Schutzes wird die Schutzfunktion des Batteriesystems überprüft, indem mögliche unerwartete Situationen simuliert werden, die während der Nutzung des Fahrzeugs auftreten können, z. B. Überladungsschutz, Überentladungsschutz, Übertemperaturschutz, Überstromschutz, Kurzschlussschutz und andere Aspekte. Bei der Zuverlässigkeitsprüfung des Schutzes ist das Batteriemanagementsystem oder die Schutzvorrichtung die einzige qualifizierte Bedingung für sein Funktionieren. Die Hersteller können in Bezug auf die Schutzbedingungen in verschiedene Stufen eingeteilt werden. Am Beispiel der Überladung können verschiedene Spannungsschwellenwerte festgelegt werden, die verschiedenen Aktionen entsprechen - Aufforderungen, Alarme, Abschaltrelais usw

2.2 Prüfung der thermischen Diffusion

Ein wichtiger Aspekt der Sicherheitsprüfung von Batteriesystemen ist die Prüfung der Thermodiffusion. Das Hauptprinzip besteht darin, die sichere Flucht von Fahrzeugfahrern und -insassen zu gewährleisten und zu überprüfen, wie die persönliche Sicherheit der Insassen im Fahrzeug gewährleistet werden kann, wenn das Batteriesystem thermisch durchbrennt.

Der Schwerpunkt der Forschung zur thermischen Diffusionssicherheit von Energiebatteriesystemen liegt vor allem auf der Auswahl von Auslösemethoden für thermisches Durchgehen von Objekten (einschließlich der Gleichwertigkeit verschiedener Auslösemethoden und der Vergleichbarkeit von Prüfergebnissen für verschiedene Objekte, die dieselbe Auslösemethode verwenden) sowie auf der Festlegung von Beurteilungsbedingungen. Gleichzeitig wird der Schwerpunkt auf die Merkmale und Ausbreitungsmechanismen des thermischen Diffusionsverhaltens in Leistungsbatteriesystemen gelegt, um experimentelle Daten und technische Unterstützung für die Sicherheitsauslegung von Leistungsbatteriesystemen bereitzustellen.

Auf der Ebene der Fahrzeuganwendung ist es auch notwendig, die Sicherheits- und Beurteilungsbedingungen unter Fahrzeugbetriebsbedingungen zu untersuchen. Wenn die Analyse des thermischen Durchgehens und der thermischen Diffusion beim Einbau der Batterie in einen Bus erfolgt, zeigen die experimentellen Ergebnisse, dass sich das Feuer nach etwa 5 Minuten des thermischen Durchgehens auszubreiten beginnt und auf das Fahrzeug übergreift. Um die Zeit zu ermitteln, in der ein plötzliches thermisches Durchgehen der Batterie bei voller Beladung möglich ist, wurden Personen verschiedener Altersgruppen als Versuchspersonen für die Fluchttests ausgewählt, wobei die längste Zeit 51 Sekunden betrug. Ausgehend von der Zeit, die das Fahrzeug benötigt, um einen Alarm zu erkennen und zum Stillstand zu kommen, sowie einer bestimmten Sicherheitsschwellenzeit wurde eine vorläufige 5-minütige Fluchtzeit für das Personal ermittelt, die als Mindestanforderung für die Evakuierung des gesamten Fahrzeugs dient.

3 Schlussfolgerung

In diesem Artikel werden die aktuellen Prüfnormen und Bewertungsmethoden für die Sicherheit von Leistungsbatterien zusammengefasst und analysiert. Auf der Ebene der Batteriezellen wurden hauptsächlich die Methoden zur Charakterisierung der thermischen Stabilität sowie der aktuelle Stand und die Trends des Prüf- und Bewertungsstandardsystems für die Auslösesicherheit analysiert. Auf der Systemebene lag der Schwerpunkt auf der Erörterung des Standardsystems für die Sicherheitsprüfung von Batteriesystemen und der Bewertungsmethode für die Thermodiffusionsprüfung.

Mit der Förderung und Anwendung von Fahrzeugen mit neuer Energie und der zunehmenden Anzahl von Fahrzeugen sind viele Fahrzeuge bereits mehrere Jahre oder Zehntausende von Kilometern gefahren, und in letzter Zeit hat es einige Sicherheitsunfälle bei Elektrofahrzeugen gegeben. Die Beherrschung der Entwicklungsgesetze für die Sicherheit von Strombatterien während ihres gesamten Lebenszyklus sowie die effektive Erkennung und Verwaltung der Sicherheit von Batterien während ihres gesamten Lebenszyklus sind von großer Bedeutung für die kaskadische Nutzung von Sicherheitsbatterien für Elektrofahrzeuge. Insbesondere die Einrichtung eines Prüf- und Bewertungssystems für Leistungsbatterien, das den gesamten Lebenszyklus abdeckt und die tatsächlichen Anwendungsbedingungen in Fahrzeugen berücksichtigt, um ein umfassendes Prüf- und Bewertungssystem für die Sicherheit von Leistungsbatterien zu schaffen, wird für die Verbesserung des Sicherheitsniveaus der Leistungsbatterieindustrie von Vorteil sein.