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Test di sicurezza delle batterie al litio

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Test di sicurezza delle batterie al litio

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Rispetto ad applicazioni come i computer portatili, i telefoni cellulari e a scopi fissi come l'accumulo di energia e l'alimentazione di riserva, l'ambiente di utilizzo delle batterie agli ioni di litio per i veicoli elettrici è più complesso, vario e impegnativo. Ad esempio, le batterie devono essere esposte a un'ampia gamma di temperature per il funzionamento, i pacchi batteria devono sopportare vibrazioni prolungate durante il funzionamento del veicolo e richiedono un'elevata velocità di carica e scarica. Tra questi, l'alta velocità di carica e scarica può portare a un aumento della generazione di calore all'interno della batteria. Se il sistema di gestione termica non è in grado di riscaldare la batteria in modo tempestivo, le temperature elevate possono causare varie reazioni collaterali all'interno della batteria, come la decomposizione del film SEI, la reazione dell'elettrodo negativo e dell'elettrolito, la decomposizione dell'elettrolito e così via, fino a provocare il runaway termico.

Una volta che la batteria entra nello stadio di runaway termico, si rischia l'incendio e l'esplosione in un breve periodo di tempo. Inoltre, a differenza delle batterie utilizzate nell'elettronica di consumo, le batterie di potenza utilizzate nei veicoli elettrici hanno una minore tolleranza ai guasti. Prendendo come esempio la batteria 18650, la probabilità di guasto spontaneo interno (noto anche come guasto di campo) può essere controllata tra 1 su 40 milioni e 1 su 10 milioni, il che è relativamente affidabile per i prodotti di elettronica di consumo. Tuttavia, quando viene utilizzata nei veicoli elettrici, dato che il numero di celle della batteria è solitamente di centinaia o addirittura migliaia, anche una probabilità così bassa di guasto spontaneo deve essere oggetto di sufficiente attenzione.

In sintesi, essendo uno dei componenti fondamentali dei veicoli elettrici, il miglioramento della sicurezza delle batterie di potenza è di estrema importanza per lo sviluppo dell'industria dei veicoli elettrici. Pertanto, è particolarmente urgente eseguire efficacemente i test e la valutazione della sicurezza delle batterie di potenza. Questo articolo combina l'attuale sistema di standard e i risultati delle ricerche correlate per analizzare e riassumere gli attuali metodi di valutazione della sicurezza delle batterie elettriche, sperando di fornire un utile riferimento e una guida per stabilire metodi di test e valutazione quantitativi più scientifici.

1 Test di sicurezza delle singole batterie elettriche

1.1 Standard di prova

La possibilità che si verifichino incendi, esplosioni, ecc. nell'uso corretto delle batterie di potenza con un elevato livello di controllo è estremamente ridotta. Solo quando la batteria supera il limite di stato nell'uso effettivo, come nel caso di sovraccarico, cortocircuito o surriscaldamento, è possibile che si verifichi una fuga termica della batteria

Sebbene la fuga termica delle batterie rappresenti una situazione anomala, lo stato di funzionamento e l'ambiente di utilizzo effettivo delle batterie di alimentazione dei veicoli sono complessi e variabili, pertanto la ricerca sul comportamento della fuga termica delle batterie non può essere ignorata. Studiando il comportamento di fuga termica delle batterie, possiamo non solo comprendere le caratteristiche del processo di fuga termica della batteria, individuare precocemente i pericoli per la sicurezza nell'uso effettivo, ridurre i rischi per la sicurezza, ma anche adottare misure efficaci per evitare che gli incidenti si espandano ulteriormente quando la batteria subisce una fuga termica, fornendo un forte supporto tecnico per gli sforzi di salvataggio

1.2 Test di stabilità termica

La sicurezza delle celle delle batterie di potenza può essere suddivisa in sicurezza intrinseca (stabilità termica) e sicurezza di innesco (compresa la fuga termica causata da fattori esterni come sovraccarico, riscaldamento, perforazione, cortocircuito, ecc. Nel primo caso, un calorimetro adiabatico accelerato è un metodo di caratterizzazione efficace. Le curve della temperatura e del tasso di variazione della temperatura durante l'evoluzione della stabilità termica di diversi prodotti di batterie agli ioni di litio presenti sul mercato (i campioni A, C e D sono batterie ternarie al carbonio e il campione B è costituito da batterie al carbonio al litio ferro fosfato). Le caratteristiche intrinseche di fuga termica delle batterie di potenza comprendono principalmente sei fasi tipiche: decadimento della capacità, calore autogenerato, fusione della membrana, cortocircuito interno, rapido aumento della temperatura interna e reazione residua.

Inoltre, per quanto riguarda le batterie agli ioni di litio con diversi sistemi di materiali, il tempo di incubazione necessario per la fuga termica della batteria al litio-ferro-fosfato (campione B) è il più lungo e la temperatura del punto di inflessione per la fuga termica grave è la più alta (utilizzando 10 ° min come criterio per la fuga termica grave)

Rispetto alle batterie fresche, l'analisi della stabilità termica delle batterie durante il loro intero ciclo di vita è altrettanto importante. Confronto delle curve di evoluzione della stabilità termica di una determinata batteria agli ioni di litio a diversi tempi di ciclo. Dalla situazione generale, emergono differenze significative nei nodi di temperatura delle curve di fuga termica per diversi cicli. Con l'aumentare del numero di cicli, la temperatura di decomposizione del film SEI diminuisce gradualmente e il tempo di fuga termica della batteria si allunga, rendendola sempre più soggetta al fenomeno della fuga termica. Ciò richiede che la progettazione e l'uso di sistemi di batterie di potenza considerino pienamente la situazione reale della batteria nella fase successiva della sua vita, per evitare rischi per la sicurezza come il fallimento della batteria dopo un periodo di utilizzo.

1.3 Test di fuga termica

La ricerca sul metodo di innesco della fuga termica nelle batterie di potenza è stata menzionata in precedenza. Le batterie di potenza si trovano ad affrontare diversi ambienti e condizioni di lavoro durante l'uso reale, quindi è necessario studiare e verificare la sicurezza del loro innesco. Attualmente, i metodi di innesco del runaway termico comunemente utilizzati nel settore includono principalmente il sovraccarico, il riscaldamento e l'agugliatura. Vengono confrontate le caratteristiche di tre tipici metodi di innesco a fuga termica. Altri metodi di innesco ancora in fase esplorativa sono i cortocircuiti interni, che si basano principalmente sull'inserimento di metalli di memoria, materiali a cambiamento di fase, ecc. all'interno della batteria per ottenere un innesco controllabile dei cortocircuiti all'interno della batteria. all'interno della batteria per ottenere un innesco controllabile dei cortocircuiti interni. La probabilità di innesco, la ripetibilità e la libertà di posizionamento di questo metodo sono relativamente elevate, ma a causa del fatto che può essere modificato solo dalla fabbrica della batteria nel funzionamento pratico, la sua implementazione è difficile e limitata dal punto di vista applicativo.

Selezionando più di dieci prodotti tipici comunemente reperibili sul mercato e conducendo ricerche sperimentali sui tre metodi di innesco tipici sopra menzionati, si è constatato che esistono alcune differenze nella probabilità di innesco della fuga termica del campione tra i tre metodi di innesco. In altre parole, il metodo di riscaldamento può innescare la fuga termica in tutti i campioni, l'agopuntura può quasi innescare la fuga termica in tutti i campioni e il sovraccarico può innescare la fuga termica solo nel 46% dei campioni. Il motivo principale è dovuto alla struttura delle batterie quadrate e cilindriche. Il sovraccarico può innescare meccanismi di protezione interni per prevenire il runaway termico.

1.4 Fuga termica delle celle delle batterie di potenza durante l'intero ciclo di vita

Con l'aumento del numero di cicli della batteria, possono verificarsi fenomeni di deterioramento come la variazione del film SEI, la crescita di dendriti di litio e i micropori della membrana all'interno della batteria, che possono portare a una diminuzione della sicurezza della batteria. Pertanto, lo studio delle caratteristiche di evoluzione della sicurezza delle batterie di potenza durante il loro intero ciclo di vita è di grande importanza per l'applicazione sicura e affidabile dei prodotti. La legge di evoluzione della sicurezza dei cortocircuiti di una determinata batteria agli ioni di litio con il numero di cicli mostra che quando il numero di cicli raggiunge i 1000, la sicurezza della batteria si deteriora drasticamente.

Complessivamente, attraverso l'analisi statistica della sicurezza di un gran numero di campioni sottoposti a diversi cicli di foratura, riscaldamento e sovraccarico, è emerso che l'evoluzione della sicurezza di alcune batterie agli ioni di litio mostra un modello chiaro, ovvero che la sicurezza si deteriora improvvisamente dopo aver raggiunto un certo stato di invecchiamento. Allo stesso tempo, un piccolo numero di campioni mostra una certa specificità e la loro sicurezza non si deteriora in modo significativo con l'aumento dei tempi di ciclo. Pertanto, è necessario condurre valutazioni per oggetti specifici con sistemi di materiali e design strutturali specifici, al fine di fornire le indicazioni necessarie per la progettazione dei sistemi di gestione delle batterie e delle misure di protezione della sicurezza durante l'intero ciclo di vita.

2 Test di sicurezza del sistema di batterie di potenza

2.1 Standard di prova

Lo scopo dei test di sicurezza è verificare la sicurezza del sistema di batterie di alimentazione in caso di abuso e, soprattutto, verificare la capacità del sistema di batterie di alimentazione di proteggere i passeggeri in situazioni di pericolo. Ciò include principalmente la simulazione meccanica e ambientale di diverse condizioni e la verifica dell'affidabilità del sistema di batterie in caso di vibrazioni, simulazione meccanica di collisioni, cadute, schiacciamenti e altre situazioni

Il test di sicurezza ambientale è il processo di simulazione di diverse condizioni ambientali per verificare la sicurezza dei sistemi di batterie in ambienti come l'alta temperatura, la bassa temperatura, l'alta umidità, gli sbalzi di temperatura, la nebbia salina, il fuoco e l'immersione in acqua.

L'affidabilità della protezione consiste nel verificare la funzione di protezione del sistema di batterie simulando possibili situazioni impreviste che possono verificarsi durante l'uso del veicolo, tra cui la protezione da sovraccarico, da scarica eccessiva, da temperatura eccessiva, da corrente eccessiva, da cortocircuito e altri aspetti. Nel test di affidabilità della protezione, il sistema di gestione della batteria o il dispositivo di protezione è l'unica condizione qualificata per il suo funzionamento. I produttori possono essere classificati in diversi livelli in termini di condizioni di protezione. Prendendo come esempio il sovraccarico, si possono specificare diversi livelli di soglia di tensione che corrispondono a diverse azioni - messaggi, allarmi, relè di disconnessione, ecc

2.2 Test di diffusione termica

Per i test di sicurezza del sistema di batterie, un aspetto più importante è il test di diffusione termica. Il principio principale è quello di garantire la fuga sicura dei conducenti e dei passeggeri del veicolo e di verificare come garantire la sicurezza personale dei passeggeri del veicolo quando il sistema di batterie di alimentazione subisce una fuga termica.

L'attenzione della ricerca sulla sicurezza della diffusione termica dei sistemi di batterie di potenza comprende principalmente la selezione dei metodi di innesco della fuga termica per gli oggetti che la innescano (compresa l'equivalenza di diversi metodi di innesco e la comparabilità dei risultati dei test per oggetti diversi che utilizzano lo stesso metodo di innesco) e la determinazione delle condizioni di giudizio. Allo stesso tempo, ci si concentra sulle caratteristiche e sui meccanismi di propagazione del comportamento di diffusione termica nei sistemi di batterie di potenza, al fine di fornire dati sperimentali e supporto tecnico per la progettazione della sicurezza dei sistemi di batterie di potenza.

A livello di applicazione sui veicoli, è inoltre necessario esaminare le condizioni di sicurezza e di giudizio nelle condizioni di funzionamento del veicolo. Se l'analisi della fuga termica e della diffusione termica si verifica quando la batteria è installata in un autobus, i risultati sperimentali mostrano che dopo circa 5 minuti di fuga termica, l'incendio inizia a diffondersi e ad entrare nell'auto. Allo stesso tempo, per determinare il tempo di fuga da un'improvvisa fuga termica della batteria a pieno carico, sono state selezionate persone di diverse fasce d'età come soggetti per i test di fuga del personale, la cui durata più lunga è stata di 51 secondi. In base al tempo necessario al veicolo per rilevare un allarme e arrestarsi in emergenza, insieme a un certo tempo di soglia di sicurezza, è stato determinato un tempo preliminare di fuga del personale di 5 minuti, che serve come requisito minimo per l'evacuazione dell'intero veicolo.

3 Conclusioni

Questo articolo riassume e analizza l'attuale sistema di test standard e i metodi di valutazione per la sicurezza delle batterie di potenza. A livello di celle della batteria, sono stati analizzati principalmente i metodi di caratterizzazione della stabilità termica e lo stato attuale e le tendenze del sistema standard di test e valutazione della sicurezza di innesco. A livello di sistema, l'attenzione si è concentrata sulla discussione del sistema standard per i test di sicurezza dei sistemi di batterie e sul metodo di valutazione dei test di diffusione termica.

Con la promozione e l'applicazione dei veicoli a nuova energia e l'aumento del numero di veicoli, molti di essi circolano da diversi anni o da decine di migliaia di chilometri, e negli ultimi tempi si sono verificati alcuni incidenti di sicurezza dei veicoli elettrici. La padronanza della legge di evoluzione della sicurezza delle batterie di potenza durante il loro intero ciclo di vita, nonché l'efficace rilevamento e gestione della sicurezza delle batterie durante il loro intero ciclo di vita, sono di grande importanza per l'utilizzo a cascata delle batterie di sicurezza dei veicoli elettrici. In particolare, la creazione di un sistema di test e di valutazione delle batterie di potenza, dal singolo al sistema, che copra l'intero ciclo di vita, e l'ulteriore considerazione delle effettive condizioni di applicazione dei veicoli, al fine di formare un sistema completo di test e di valutazione della sicurezza delle batterie di potenza, saranno utili per migliorare il livello di sicurezza dell'industria delle batterie di potenza.