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Test di schiacciamento delle batterie agli ioni di litio - Parte 2

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Test di schiacciamento delle batterie agli ioni di litio - Parte 2

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2.1 Preparazione del test

Le batterie cilindriche e quadrate sono comunemente utilizzate come celle di potenza. L'oggetto di ricerca di questo lavoro è una cella quadrata, composta principalmente da un elettrodo positivo di nichel cobalto manganese e da un elettrodo negativo di grafite. Dimensioni della batteria singola: X Y Z=L x L x H=27 mm x 148 mm x 94 mm, tensione nominale: 3,7 V, capacità nominale: 37 Ah. La batteria singola è disposta nel modulo sotto forma di sovrapposizione lungo la direzione della larghezza (direzione X) della batteria singola. In questo documento, la definizione della direzione di schiacciamento del modulo è coerente con quella del monomero, e la batteria monomero e il modulo sono mostrati nella Figura 3. Lo spostamento, il carico, la tensione, i dati sulla temperatura e i dati video del processo di schiacciamento sono stati raccolti estrudendo la cella e il modulo con il penetratore e i risultati del test sono stati analizzati.

2.2 Risultati del test di schiacciamento della cella

Eseguendo il test di schiacciamento XYZ del nucleo elettrico in queste tre direzioni, si ottiene il confronto della rigidità delle tre direzioni, come mostrato nella Figura 4.

La rigidità del nucleo elettrico nella direzione X è la più grande e può sopportare una forza di schiacciamento maggiore a parità di deformazione. Le direzioni Y e Z sono relativamente deboli. La Shenxin è generalmente disposta in serie nella direzione X del modulo. Quando il veicolo subisce un impatto laterale, il nucleo elettrico viene schiacciato e deformato soprattutto nelle direzioni X e Y.

Per individuare il punto critico di danneggiamento e fessurazione del guscio in condizioni di schiacciamento del nucleo elettrico, il test di schiacciamento viene eseguito nella direzione Y del nucleo elettrico. Ogni gruppo di prove è stato estruso per tre volte e la velocità di schiacciamento è stata di 0,2 mm/s.

Nel primo gruppo di test, il monomero viene caricato continuamente fino a quando la batteria perde il controllo del calore e lo stato di carica (SOC) della batteria è del 100%;

Il secondo gruppo di test è volto a individuare il punto critico di rottura dell'involucro della batteria. Per comodità di osservazione, la batteria viene scaricata e caricata ogni volta di 3 mm in sezioni contemporaneamente, e ogni sezione viene mantenuta per 200 secondi;

Il terzo gruppo di test è stato caricato in modo continuo fino al valore critico di rottura del guscio e poi lasciato fermo per analizzare il rischio di fuga termica. Il primo gruppo di nuclei di prova è stato caricato in modo continuo fino a quando non si è verificato un cedimento per schiacciamento, come mostrato nella Figura 5.

Dall'analisi comparativa dei test si evince che esiste un'incertezza nella modalità di guasto dello schiacciamento del nucleo elettrico.

Nella prova di schiacciamento, le modalità di guasto del nucleo elettrico sono: il guscio viene estruso e danneggiato, senza incendio ed esplosione; il guscio viene estruso senza danni, ma si verifica un'esplosione con fumo o fuoco; il guscio viene schiacciato e danneggiato, causando incendio ed esplosione.

Le figure 6 e 7 mostrano la deformazione da schiacciamento del guscio del nucleo elettrico dopo i test del secondo e terzo gruppo. Dalla Figura 6 si può notare che il lato negativo del nucleo elettrico si è incrinato, mentre il lato positivo non si è incrinato;

Quando il primo spostamento di schiacciamento è di 12 mm, il lato negativo si fessura, ma il lato positivo no. Attraverso l'analisi del secondo gruppo di prove, è stato determinato in via preliminare che il guscio è danneggiato e fessurato in condizioni di schiacciamento del nucleo elettrico

Il valore critico è di 12 mm. Dalla Figura 7 si può notare che quando lo spostamento di schiacciamento misurato era di 12 mm, i tre nuclei di prova non presentavano fratture del guscio e non si verificavano incendi o esplosioni. Dopo la prova, i nuclei misurati si sono comportati normalmente dopo essere rimasti in piedi per 24 ore.

Questo gruppo di test ha verificato che il valore critico di rottura per questo tipo di nucleo elettrico può essere determinato in 12 mm. Attraverso l'analisi di tre gruppi di test, è emerso che il punto critico della modalità di guasto del danno e della fessurazione del guscio del nucleo elettrico è di 12 mm, inferiore al valore limite, per cui il rischio di fessurazione del guscio è ridotto e non si verificano incendi ed esplosioni;

Se il valore limite viene superato, vi è una certa incertezza sul fatto che il guscio del nucleo sia danneggiato o incrinato, il che comporta comunque un elevato rischio per la sicurezza; l'incertezza del guasto del nucleo elettrico causato da incendio ed esplosione è grande e le modalità di guasto sono incoerenti. Pertanto, è possibile determinare che la tolleranza ai danni della cella è di 12 mm e che la condizione di funzionamento della cricca è relativamente stabile durante il test. Tuttavia, le condizioni in cui la batteria viene estrusa nell'applicazione reale sono diverse. Considerando che è necessario riservare un certo margine di sicurezza, la tolleranza al danneggiamento di questo tipo di cella è stata determinata in 10 mm.

2.3 Risultati della prova di schiacciamento del modulo

Il modulo viene sottoposto alla prova di schiacciamento rispettivamente in direzione X Y. La velocità di carico è di 0,2 mm/s. Durante la prova, il modulo è in stato di piena potenza, cioè il SOC del modulo è del 100%. Le direzioni X e Y corrispondono alle prestazioni di schiacciamento laterale del veicolo. Ripetere il test di schiacciamento per tre volte in due direzioni di schiacciamento per garantire l'efficacia del test.

La Figura 8 mostra lo stato di schiacciamento del modulo in diverse direzioni.

La Figura 9 mostra il processo di schiacciamento in direzione X e Y del modulo. A titolo di confronto, il processo di fuga termica causato dallo schiacciamento in diverse direzioni del modulo è il seguente: il modulo della batteria si deforma nella fase iniziale, e compaiono fumo o scintille quando il danno interno della batteria aumenta con il carico di schiacciamento, causando ulteriormente incendi ed esplosioni.

La Figura 10 mostra le curve di variazione della temperatura e della tensione del modulo nelle direzioni X e Y durante lo schiacciamento. Prendiamo come esempio per l'analisi i moduli M2 (schiacciamento X) e M4 (schiacciamento Y).

Nella Figura 10 x direzione, durante 0~400s, il modulo si deforma gradualmente a causa dello schiacciamento, e la temperatura e la tensione del modulo rimangono stabili; quando il carico raggiunge 400s, la tensione inizia a scendere a 0 V, e la temperatura aumenta da 26 ℃ a 156 ℃, a questo punto, il modulo della batteria inizia a fumare; con l'ulteriore aumento della forza di schiacciamento, la temperatura sale a 500 ℃, e quindi il modulo della batteria si incendia ed esplode.

Nella Figura 10 in direzione y, la tensione e la temperatura del modulo sono relativamente stabili entro 0~300s. Quando la temperatura aumenta da 300s a 550 ℃, il modulo si incendia ed esplode e la tensione scende a 0V. Attraverso il confronto e l'analisi delle curve di temperatura e tensione, si scopre inoltre che la fuga termica è più probabile che si verifichi nella direzione di schiacciamento Y dei moduli.

In base alla curva di carico di spostamento, alla curva di tensione e alla curva di temperatura raccolte dal test, viene analizzata la distanza di schiacciamento quando il modulo della batteria si rompe nelle due direzioni XY. Nello schiacciamento in direzione X, lo spostamento di schiacciamento è rispettivamente di 40 mm, 42 mm e 30 mm quando i moduli M1, M2 e M3 si rompono. Quando i moduli M4, M5 e M6 cedono, lo spostamento di schiacciamento è rispettivamente di 21 mm, 15 mm e 24 mm. Dal confronto si evince che, rispetto alla direzione X, la direzione Y del modulo è più soggetta a cedimenti dopo l'estrusione.