Untersuchung des Ausfallmodus von Lithium-Ionen-Batteriesystemen (Teil 1)

Untersuchung des Ausfallmodus von Lithium-Ionen-Batteriesystemen (Teil 1)

In diesem Beitrag wird die Untersuchung der Ausfallmodi von Lithium-Ionen-Batteriesystemen untersucht. Dies ist von großer Bedeutung, um die Lebensdauer der Batterie, die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Elektrofahrzeugen zu verbessern und die Betriebskosten von Elektrofahrzeugen zu senken. Verschiedene Fehlermodi werden bei der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batteriesystemen berücksichtigt, um die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern.

Das Lithium-Ionen-Batteriesystem besteht in der Regel aus einer Zelle, einem Batteriemanagementsystem und einem Batteriesystem, das funktionale Komponenten, Kabelbäume, Strukturteile und andere zugehörige Komponenten umfasst. Die Fehlermodi des Lithium-Ionen-Batteriesystems können in drei verschiedene Ebenen unterteilt werden, nämlich in den Fehlermodus der Zelle, den Fehlermodus des Batteriemanagementsystems und den Fehlermodus der Packsystemintegration.

Ausfall der Zelle

Die Ausfallmodi der Zelle können in einen Sicherheitsausfallmodus und einen Nicht-Sicherheitsausfallmodus unterteilt werden. Die folgenden Punkte sind für den Sicherheitsausfall der Zelle wichtig:

1.Kurzschluss zwischen positiver und negativer Elektrode innerhalb der Zelle:

Der Kurzschluss in der Batterie wird durch das Innere der Zelle verursacht. Es gibt viele Gründe für den Kurzschluss in der Batterie, die durch Defekte im Verarbeitungsprozess der Zelle oder durch die Verformung der Zelle durch langfristige Vibrationen und externe Kräfte verursacht werden können. Wenn ein schwerer interner Kurzschluss auftritt, kann die Steuerung nicht gestoppt werden, und die externe Versicherung kann nicht verwendet werden, es kommt mit Sicherheit zu Rauch oder Verbrennung.

In einem solchen Fall bleibt nur, das Personal an Bord zu informieren, damit es sich sofort in Sicherheit bringt. Was den internen Kurzschluss der Batterie angeht, so hat der Batteriehersteller bisher keine Methode, um 100% der Zellen auszusortieren, die einen internen Kurzschluss haben könnten, wenn sie das Werk verlassen, und kann nur in der späteren Phase genügend Tests durchführen, um die Wahrscheinlichkeit eines internen Kurzschlusses zu verringern.

2.Auslaufende Zellen:

Dies ist eine sehr gefährliche und seltene Fehlerart. Viele Brandunfälle in Elektrofahrzeugen sind auf ein Auslaufen der Batterie zurückzuführen. Die Ursachen für das Auslaufen der Batterie sind: Beschädigung durch äußere Einwirkung; Beschädigung der Dichtungsstruktur aufgrund von Kollisionen und nicht standardmäßigem Einbau; Herstellungsgründe: schlechte Dichtungsleistung aufgrund von Schweißfehlern und unzureichender Menge an Dichtungskleber.

Wenn die Batterie ausläuft, versagt die Isolierung des gesamten Batteriepakets, und ein einzelner Isolationsfehler ist kein großes Problem. Bei zwei oder mehr Isolationsfehlern kommt es zu einem externen Kurzschluss. In der Praxis zeigt sich, dass das Metallgehäuse im Vergleich zur Zelle mit Kunststoffgehäuse anfälliger für das Auslaufen von Flüssigkeit ist, was zu einem Ausfall der Isolierung führt.

3.Lithium-Entwicklung der negativen Elektrode der Batterie:

Unsachgemäße Verwendung der Batterie, Überladung, Laden bei niedriger Temperatur und Laden mit hohem Strom führen zur Lithiumentwicklung aus der negativen Elektrode der Batterie. Lithiumeisenphosphat- oder Ternärbatterien, die von den meisten inländischen Herstellern verarbeitet werden, zersetzen Lithium, wenn sie unter 0 ℃ geladen werden. Über 0 ℃ können sie nur mit geringem Strom entsprechend den Eigenschaften der Zelle geladen werden. Nach der Ausfällung von Lithium aus der negativen Elektrode kann das Lithiummetall nicht mehr reduziert werden, was zu einer irreversiblen Verringerung der Batteriekapazität führt. Die Lithiumausfällung erreicht einen bestimmten Schweregrad, bildet Lithiumdendriten, durchdringt die Membran und führt zu einem internen Kurzschluss. Daher sollte die Lithium-Ionen-Batterie nicht bei niedrigen Temperaturen aufgeladen werden.

4.Aufblasen der Zelle:

Es gibt viele Gründe für Blähungen. Der wichtigste Grund ist, dass das Gas aufgrund von Nebenreaktionen innerhalb der Batterie entsteht. Die typischste Nebenreaktion ist die mit Wasser. Blähungen können verhindert werden, indem die Feuchtigkeit während der Verarbeitung der Zellen streng kontrolliert wird. Wenn die Batterie aufgeblasen wird, tritt Flüssigkeit aus.

Der nicht sicherheitsrelevante Ausfall der Zelle beeinträchtigt nur die Betriebsleistung. Die folgenden Punkte sind wichtig:

1.Schlechte Konsistenz der Kapazität:

Die Inkonsistenz von Lithium-Ionen-Batterien bezieht sich in der Regel darauf, dass die Restkapazitätsdifferenz und die Spannungsdifferenz der Batterien in einer Gruppe von Batterien zu groß sind, was zu einer Verschlechterung der Lebensdauer der Batterien führt. Es gibt viele Gründe für die schlechte Konsistenz zwischen den Batterien, einschließlich des Verarbeitungs- und Herstellungsprozesses der Batterie, der Lagerzeit der Batterie, des Temperaturunterschieds während des Ladens und Entladens des Batteriepacks, des Lade- und Entladestroms usw.

Gegenwärtig besteht die Hauptlösung darin, die Kontrolle der Verarbeitung und des Herstellungsprozesses der Batterien zu verbessern, die Konsistenz der Batterien so weit wie möglich auf der Verarbeitungsebene zu gewährleisten und die gleiche Batteriecharge für die Anpassung zu verwenden. Diese Methode hat zwar eine gewisse Wirkung, aber sie kann nicht die Lösung sein. Das Problem der mangelnden Konsistenz von Akkus tritt auf, wenn sie über einen längeren Zeitraum verwendet werden. Wenn die Inkonsistenz des Akkus nicht rechtzeitig behoben werden kann, wird das Problem immer ernster und sogar gefährlich.

2.Übermäßige Selbstentladung:

Die irreversible Reaktion, die durch Mikrokurzschlüsse aufgrund von Verunreinigungen während der Batterieherstellung verursacht wird, ist der wichtigste Grund für die hohe Selbstentladung einzelner Batterien. Bei den meisten Batterieherstellern kann die Mikrostunde der Selbstentladung der Batterie ignoriert werden. Aufgrund der chemischen Reaktion mit den Umgebungsbedingungen während der langfristigen Aufladung, Entladung und Ablage der Batterie, hat die Batterie eine große Selbstentladung Phänomen, das die Batterieleistung, niedrige Leistung reduziert und kann nicht die Verwendung Nachfrage zu erfüllen.

3.Reduzierung der Entladekapazität bei niedrigen Temperaturen:

Mit der Abnahme der Temperatur ist die Tieftemperaturleistung des Elektrolyten schlecht, die Beteiligung an der Reaktion ist nicht genug, und die Leitfähigkeit des Elektrolyten nimmt ab, was zur Erhöhung des Batteriewiderstands, der Abnahme der Spannungsplattform und der Abnahme der Kapazität führt. Gegenwärtig beträgt die Entladekapazität von Batterien verschiedener Hersteller bei - 20 ℃ grundsätzlich 70% ~ 75% der Nennkapazität. Bei niedrigen Temperaturen wird die Entladekapazität der Batterie reduziert und die Entladeleistung ist schlecht, was sich auf die Betriebsleistung und den Fahrbereich von Elektrofahrzeugen auswirkt.

4.Abschwächung der Batteriekapazität:

Die Verringerung der Batteriekapazität ist hauptsächlich auf den Verlust aktiver Lithiumionen und den Verlust des aktiven Elektrodenmaterials zurückzuführen. Die Regelmäßigkeit der Schichtstruktur des positiven aktiven Materials nimmt ab, der Passivierungsfilm lagert sich auf dem negativen aktiven Material ab, der Graphitisierungsgrad nimmt ab, und die Porosität des Diaphragmas nimmt ab, was zu einer Erhöhung der Ladungsübertragungsimpedanz der Batterie führt. Die De-Interkalationskapazität nimmt ab, was zu einem Verlust an Kapazität führt.

Die Kapazitätsabschwächung ist ein unvermutetes Problem von Batterien. Derzeit sollten sich die Batteriehersteller jedoch zunächst mit dem vorherigen Sicherheitsversagen und der Batteriekonsistenz befassen und dann auf dieser Grundlage eine Verlängerung der Zykluslebensdauer der Batterie in Betracht ziehen.

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