Analyse der Sicherheits- und Stabilitätsprüfung von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 2

Analyse der Sicherheits- und Stabilitätsprüfung von Lithium-Ionen-Batterien - Teil 2

1.3 Überladungsprüfung

Die Überladung einer Einzelbatterie ist nach einer Konstantstromladung von 1 I1 (A) zu stoppen, bis die Spannung das 15-fache der in den technischen Bedingungen des Unternehmens angegebenen Ladeschlussspannung erreicht oder die Ladezeit 1 h beträgt. 1h lang beobachten. Während dieses Vorgangs darf die Batterie nicht explodieren oder Feuer fangen. Bei der Überladung von Modulbatterien ist der Ladevorgang nach einer Konstantstromladung von 1 I1 (A) zu stoppen, bis die Spannung einer einzelnen Batterie das 15-fache der in den technischen Bedingungen des Unternehmens angegebenen Ladeschlussspannung erreicht oder die Ladezeit 1 Stunde beträgt, und 1 Stunde lang zu beobachten. Während dieses Vorgangs darf die Batterie nicht explodieren oder Feuer fangen.

In der Anfangsphase des Überladungstests bildet sich die metastabile Schicht des Festelektrolyt-Grenzfilms (SEI) auf der Oberfläche der negativen Kohlenstoffelektrode als erste exotherme Zersetzungsreaktion. Wenn die Ladung fortgesetzt wird, steigt die Batteriespannung weiter an, und die Temperatur der Batterie nimmt weiter zu. Zusätzlich zu der hier beschriebenen Reaktion zwischen der positiven und negativen Elektrode und dem Elektrolyten führt die hohe Spannung auch zur Zersetzung des Elektrolyten. Daher wird eine große Menge Gas im Inneren der Batterie erzeugt, und die Batterie schwillt stark an (wie in Abbildung 1 dargestellt). Laden Sie weiter. Unter der Einwirkung der hohen Temperatur und des hohen Drucks wird eine große Menge Gas aus dem Inneren der Batterie herausgeschleudert und bildet dicken Rauch, wie in Abbildung 2 dargestellt. In diesem Fall entzündet sich das lineare Karbonat im Elektrolyten durch die hohe Temperatur nach einigen Sekunden und verursacht einen Brand oder sogar eine Explosion, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Eine andere Art von Batteriebrand kann während des Modulkurzschlusstests auftreten, bei dem mehrere Batterien parallel und dann in Reihe geschaltet werden. Wenn die Batterie durch die Gasproduktion und das Aufblasen stark verformt wird, kommen die positiven und negativen Laschen außerhalb der Batterie unter der Einwirkung des Verbindungsstücks miteinander in Kontakt, was zu einem Kurzschluss und einem Brand führt, wie in Abbildung 4 dargestellt.

1.4 Quetschprüfung

Das Monomer wird in Form eines Halbzylinders mit einem Radius von 75 mm gequetscht (die Länge des Halbzylinders ist größer als die Größe der extrudierten Batterie). Die Quetschrichtung muss senkrecht zur Richtung der Batterieplatte verlaufen. Drücken Sie die Batterie mit einer Geschwindigkeit von (5 ± 1) mm / s, um sie nach einer der folgenden Bedingungen zu stoppen: Die Spannung erreicht 0 V oder die Verformung erreicht 30 % oder die Druckkraft erreicht 200 kN, und beobachten Sie 1 Stunde lang. Bei diesem Projekt darf die Batterie nicht explodieren oder Feuer fangen. Die Quetschplatte, die für die Modulquetschung verwendet wird, ist ähnlich wie die Einzelquetschung. Die Quetschrichtung entspricht der Richtung, in der das Batteriemodul bei der Anordnung des gesamten Fahrzeugs am ehesten gequetscht wird (wenn die Richtung, in der es am ehesten gequetscht wird, nicht verfügbar ist, wird der Druck senkrecht zur Anordnungsrichtung der einzelnen Batterie ausgeübt). Wenn die Verformung des Batteriemoduls 30 % bei (5 ± 1) mm/s erreicht oder die Quetschkraft einen bestimmten Wert erreicht, ist die Prüfung für 10 Minuten zu unterbrechen und 1 Stunde lang zu beobachten. Während dieses Prozesses darf das Batteriemodul nicht explodieren oder Feuer fangen.

Es gibt zwei Situationen, in denen die Quetschung dazu führt, dass die Batterie die Kontrolle über die Hitze verliert: Der Quetschdruck verformt die Batterie, und die interne Membran ist gebrochen. Die Reaktion, die durch den Kontakt der positiven und negativen Platten in der Batterie verursacht wird, ähnelt der beim Akupunkturtest, was zum Brand und zur Explosion der Batterie führt, wie in Abbildung 5 dargestellt; der zweite Fall ähnelt dem Kurzschlusstest. Nachdem die Batterie verformt wurde, berühren sich die positiven und negativen Laschen und es kommt zu einem externen Kurzschluss der Batterie und schließlich zu einem Brand und einer Explosion, wie in Abbildung 6 dargestellt.

2.Sicherheitsprüfung in GB /T314673-2015

Die Norm GB / T314673-2015 befasst sich mit den Sicherheitsanforderungen und Prüfverfahren für Lithium-Ionen-Batteriepacks und -systeme für Elektrofahrzeuge. Es gibt 16 Sicherheitsprüfpunkte. Die Sicherheitsprüfung der elektrischen Leistung (Schutz vor Überentladung, Schutz vor Überladung, Schutz vor Kurzschluss und Schutz vor Übertemperatur) von Leistungsbatterien und -systemen sind alle Schutzprüfungen. Das heißt, wenn die Batterie oder das System während der Prüfung über Schutzmaßnahmen wie die Abschaltung von Relais und Sicherungen verfügt, wird die Prüfung bestanden, und im Allgemeinen kommt es zu keinem thermischen Durchgehen. Insgesamt ist der Anteil des thermischen Durchgehens bei Lithium-Ionen-Batteriepacks oder -systemen gering und konzentriert sich hauptsächlich auf den Prozess der Vibrations- und Quetschprüfung.

2.1 Schwingungsprüfung

Installieren Sie das Prüfobjekt auf dem Rütteltisch. Die Schwingungsprüfung wird in drei Richtungen durchgeführt, beginnend mit der z-Achse, dann der y-Achse und schließlich der x-Achse. Bei Testobjekten, die an anderen Orten installiert sind, beträgt die Testzeit in jeder Richtung 21 Stunden. Überwachen Sie während der Prüfung den Status der kleinsten Überwachungseinheit im Inneren des Prüfobjekts, wie Spannung und Temperatur. Nach der Vibrationsprüfung ist 2 Stunden lang darauf zu achten, dass der Batteriesatz nicht ausläuft, die Hülle nicht bricht und kein Feuer oder eine Explosion entsteht. Der Isolationswiderstand darf nach der Prüfung nicht weniger als 100 Ω/V betragen.

Bei Langzeitvibrationen kann die Isolierfolie der Modulbatterie leicht abfallen oder sich abnutzen, und die positiven und negativen Kontakte oder die Kontakte mit dem Gehäuse des Batteriepakets bilden einen Kurzschluss, was zu einem thermischen Durchgehen der Batterie führt, wie in Abbildung 7 dargestellt. Gleichzeitig wird während des Vibrationsvorgangs festgestellt, dass das Anschlussteil des Akkus eine starke Spannung erzeugt und im statischen Zustand leicht am Polohr mit starker heller Verbindung abgerissen werden kann, wie in Abbildung 8 dargestellt.

Die Vibrationsnorm GB/T314673-2015 ist im Vergleich zu anderen Normen zu streng, und bei vielen Akkus kommt es während des Vibrationstests zum thermischen Durchgehen. In der Änderung Nr. 1 wird die Vibrationsnorm in eine 15-minütige Sinuswellenvibration des Batteriepacks oder -systems geändert, wobei die Vibrationsfrequenz von 7 Hz auf 50 Hz ansteigt und dann auf 7 Hz zurückkehrt. Dieser Zyklus wird 12 Mal innerhalb von 3 Stunden in vertikaler Richtung der vom Hersteller angegebenen Einbaulage des Batteriesatzes oder -systems wiederholt. Nach der Vibration ist 1 Standardzyklus durchzuführen. Nach der Prüfung 1 Stunde lang bei der Umgebungstemperatur der Prüfung beobachten. Anforderungen: Der Batteriesatz oder das Batteriesystem muss zuverlässig angeschlossen und die Struktur muss intakt sein. Der Batteriesatz oder das Batteriesystem darf nicht auslaufen, die Hülle darf nicht brechen, es darf kein Feuer oder eine Explosion geben; der Isolationswiderstand darf nach der Prüfung nicht weniger als 100 Ω/V betragen. Nach der Umsetzung des Änderungsauftrags kommt es selten zum thermischen Durchgehen des Batteriesatzes. Die Norm für die Vibrationsprüfung des Akkupakets muss entsprechend dem Straßenspektrum des Elektrofahrzeugs, das auf der allgemeinen Straße fährt, formuliert werden. Es ist unangemessen, zu streng oder zu locker zu sein. Daher liegt der Schwerpunkt derzeit darauf, die Vibrationsnorm für Batteriepacks mit den richtigen Parametern und perfekten Schritten so schnell wie möglich zu formulieren und umzusetzen.

2.2 Quetschtest des Batteriepacks

Für die Quetschung des Akkupacks wird ein Halbzylinder mit einem Radius von 75 mm verwendet. Die Länge des Halbzylinders ist größer als die Höhe des Testobjekts, jedoch nicht mehr als 1 m. Stoppen Sie die Zerkleinerung, wenn die Zerkleinerungskraft 200kn erreicht oder die Zerkleinerungsverformung 30% der Gesamtgröße in der Zerkleinerungsrichtung erreicht. 10 Minuten lang halten und 1 Stunde lang beobachten. Das Akkupaket muss frei von Entzündung, Explosion und anderen Phänomenen sein.

Während des Quetschtests der Batteriepacks wird festgestellt, dass die Batteriepacks, die den Quetschtest bestehen, im Allgemeinen den Test beenden, nachdem die Quetschkraft 200kn erreicht hat. Wenn die Schalenfestigkeit des Akkupakets nicht ausreicht und die Verformung des Akkupakets 30 % erreicht, kommt es in der Regel zu einem Brand (wie in Abbildung 9 dargestellt). Nach der Verformung des Batteriesatzes kann die Verformung einiger Batterien im Inneren des Batteriesatzes sogar 80 % übersteigen. In diesem Fall gerät das Monomer oder das Modul im Inneren des Batteriepacks thermisch außer Kontrolle.

In der Änderung Nr. 1 wird die Quetschkraft des Quetschkopfes von 200 kn auf 100 kn geändert, während andere Normen unverändert bleiben. Im tatsächlichen Betrieb des gesamten Fahrzeugs ist die Quetschkraft nach dem Aufprall nicht sicher, und die Verformung der Batterie kann sehr groß sein. Daher werden viele Elektrofahrzeuge bei einem Aufprall Feuer fangen.

3.Schlussfolgerung

In Lithium-Ionen-Batterien kommt es aus individuellen Gründen oder bei unsachgemäßem Gebrauch zu einer Reihe von Reaktionen, die zu thermischem Durchgehen, Batteriebrand und Explosion führen können. Korrekte Parameter und standardisierte Teststandards sind wichtige Mittel, um die Sicherheit von Batterien zu überprüfen. In diesem Beitrag werden mehrere repräsentative Tests vorgestellt, bei denen Batteriezellen, -module, -pakete und -systeme für ein thermisches Durchgehen anfällig sind, und die Ursachen und Mechanismen des thermischen Durchgehens analysiert. Gegenwärtig ist die Lithium-Ionen-Batterie nicht perfekt, und das Sicherheitsproblem ist das Hauptproblem, das die neue Energieindustrie einschränkt. Mit der Verbreitung und Anwendung von hochsicheren Lithium-Ionen-Batteriematerialien, der Ausgereiftheit der Batteriemanagementtechnologie und der Verbesserung der Prüfstandards werden Lithium-Ionen-Batterien in Zukunft jedoch eine große Rolle spielen.