热安全问题综述用于电动汽车的锂离子电池车辆应用外文翻译资料

 2021-10-24 02:10

热安全问题综述用于电动汽车的锂离子电池车辆应用

张佳楠1.2(学生会员,IEEE)张磊1.2(IEEE会员)孙凤春1.2王振坡1.2

1北京理工大学电动汽车国家工程实验室,北京100081

2电动汽车协同创新中心,北京100081

通讯作者:张磊(lei_zhang@bit.edu.cn)和王振波(wangzhenpo@bit.edu.cn)

这项工作部分得到了国家自然科学基金国家重点项目的支持授予U1564206,部分由中国奖学金理事会授予201706030101

摘要:锂离子电池(LIBs)正在深入研究并普遍用作电源电动汽车应用的来源。尽管全球LIB的销售额增长惊人,但仍然是热销安全问题仍然是最难以忍受的痛点,并且仍然是研究的重点技术改进。本文全面概述了热安全问题LIB,在热行为和热失控建模和电池单元测试以及安全性方面电池组的管理策略。考虑到发热机理和热特性详细阐述了LIB,细胞内的热量产生,消散和积聚。触发因素导致热失控也被总结。最后,热失控检测和预防介绍了细胞和包装水平的策略。不同的工程方法来自材料针对热学,热学,电学和机械设计的精细化和添加剂应用失控预防。

索引条款:电动汽车,电池,造型,量热,安全,热失控,散热管理。

  1. 导言

LIB已被广泛用作主要电源因其内在优势而成为电动汽车(EV)如能量密度高,无记忆效应,使用寿命长和设计灵活性。 LIB电池由正电极和负电极组成,其间具有隔板。 离子在充电/放电期间在两个电极之间穿梭,同时电子被迫通过外部

如图1所示的电源和下沉电路。高体积和重量能量密度是由于实现了高电池同时实现由精选材料选择产生的电压和容量精致的电池设计。尽管全球电动汽车销量大幅增长,电池系统的热安全问题经常被批评为近年来发生致命火灾事故的主要原因。在一个手中,EV中的电池组通常由数百个组成数千个并联和/或串联连接的电池以满足电力和能源的要求。这个显着增加电池系统内的储存能量,这意味着严重时会增大破坏性出现安全问题。另一方面,车辆中的LIB总是面对苛刻的工作条件,如振动和震动,可能会遇到过充电,过热,短路,极端滥用条件下的碰撞或钉子穿透。这提高了热失控发生的可能性用于车载电池系统。总的来说,热安全问题已成为大规模采用和市场的瓶颈电动汽车的普及率。

通常,热失控可以通过机械,电气或热量滥用来触发。 机械滥用经常发生可能会发生穿透或碰撞的形式电池单元内部短路或导致母线短路电路。 电气滥用包括可能导致的过度充电由于锂电镀和引起链条的内部短路二次放热副反应。热量滥用通常是由高环境温度和/或无效的热管理引起。适当提升LIBs工作温度,可以提高电池性能减少热量产生。 然而,极高的温度可能导致电极放热分解电解质材料和分离器可以诱导收缩内部短路。 在实际情况下,而不是来个别地,滥用行为总是一个接一个地发生。最后,提到的滥用行为演变成了激烈的行为和快速的热量产生过程,导致烟雾,火灾和甚至爆炸。

在本文中,彻底回顾了主要的散热问题介绍了LIB的安全问题,重点介绍了热量问题行为和热失控建模。 安全管理预先防止热失控发生的策略并限制其后的破坏性后果回顾。

二 热量发电机制和热模型

LIB是一种典型的电化学系统电化学反应的原理,质量和电荷转移和能量平衡。 电池发热电池代表一个复杂的过程,其中电化学反应速率随时间,温度和电流分布而变化butions [1]。 从安全性,热失控的角度来看故意味着破坏热量之间的动态平衡电池单元内部和热量的产生和积累与周围环境的消散。 因此,它是有意义的揭示发热机制和现状关于复杂的建模和测试的研究热过程。 在本节中,发热和散热将简要介绍LIB的建模方法,然后总结常用的实验方法电池热行为采集。

  1. 热模型

同时电化学反应的热效应Sherfey和Brenner于1958年首次提出[2]。用于确定热量产生率的方程式当前分数,熵变和过电位的提出了每个反应。之后,Sherfey的工作得到了认可,随后对此进行了持续的调查通过[3]和[4]中描述的其他努力前沿,直到J.纽曼和他的团队做出了卓越的贡献关于LIB的热模型。开创性的工作是由Bernardi等人进行的。 [5]通过热力学能量平衡方程预测LIB的热量产生。在能量平衡方程中,电池温度假设是均匀的,只能通过内部反应,热容量,相变,混合和加热来确定传递。 Rao和Newman [6]提出了热量产生使用a的插入式电池系统的计算方法一般能量平衡方程和局部热量产生方法。托马斯和纽曼[7]研究了熵,不​​可逆阻力和混合热对发热率的影响。多伊尔等人。 [8模拟了LIB的恒电流充电和放电使用浓溶液理论来描述电解质中的传输性质。基于提出的模型多伊尔等人。 [8],Botte等。 [9]进一步发展了一种热量模型,占了分解反应的碳阳极在能量平衡。 Kumaresan等人。 [10]提出了一个可以预测排放的热模型在不同的工作温度下的性能基于不同工作温度和放电速率下的实验曲线确定参数。Cai和White [11]使用了商业模拟软COMSOL Multiphysics研究热力学行为在有或没有恒电流放电过程中的LIB额外的脉冲。针对车辆应用,C。Wang及其团队开发了多种电化学 - 热耦合模型基于多维建模方法。Gu和Wang [12]使用体积平均法提出了一种热电化学耦合模型通过热量产生和温度依赖的物理化学性质将能量平衡方程与多相电化学模型耦合。成立模型是多维的,能够预测平均温度以及温度分布

在一个牢房里面。考虑可逆,不可逆和欧姆固态和液态热,Srinivasan和Wang [13]进一步纳入运输的温度依赖性,Arrhenius的动力学和传质参数在先前建立的电化学 - 热耦合模型中的表达式。方等人。 [14]验证了保真度这个模型在恒流和脉冲负载下模拟混合动力电动汽车(HEV)的实际工作条件。 Ferguson和Bazant [15]应用了多孔材料电极理论对非理想活性材料的研究和发展基于非平衡的完整电池模型热力学。对于大型电池,Kim等人。 [16] - [18]研究了电极配置的影响,包括电极的纵横比和电流连接片的放置对LIB的热行为的影响,并提出了一种方法用于预测温度分布的二维模型基于潜在和电流建模的LIB电极上的密度分布。李等人。 [19]发达20-Ah大型圆柱形电池的数值模型使用多尺度多域(MSMD)模型框架,其中伤口潜在对连续体(WPPC)模型被呈现为描绘热量的子模型电子传递穿过细胞的纵轴域。邹等人。 [20] - [22]提出了一个简化同时描述的基于PDE的LIB模型的框架

耦合的电,热和老化动力学。奇异扰动,平均和降阶技术用于模型简化目的。多次采用扩展卡尔曼的尺度估计算法通过仿真结果进一步开发和验证了滤波器(EKF)。已经介绍了LIB的热建模并研究了几十年。电化学热耦合并且出现了多维建模方法提供电池单元内部潜在电化学反应的更多细节。面向控制的建模逐渐成为研究的热点,具有潜力用于启用电池管理系统(BMS)。

  1. 热行为的实验

导言

尽管基于物理的热建模可以提供见解关于发热过程的理论解释在LIB单元内部,实验方法也必须用于模型参数化和验证。量热技术是基本温度或热量一定热边界下的通量测量方法条件。 被测物体的发热可以是通过热平衡方程获得。 在这个部分,两种广泛使用的量热技术,即加速比率量热法(ARC)和等温热传导量热法(IHCC),详细阐述。

  1. 基于ARC的实验

ARC是用于确定发热的热分析仪器/方法。它可以测量产生的热量建立绝热环境的对象。传统的ARCs适合小剂量使用化学品。但是,为了测试LIB,尤其如此大型的,正在开发的大型ARC受雇[23]。发热率可以通过计算得到遵循能量平衡

手术语是a产生的热量电池或模块。右边的第一个词是储存在被测物体中的热量,最后一项是被测物体表面之间的热对流和热量计很好。

洪等人。 [24]确定了加速率热仪 - 循环仪测试台分析热行为商用18650锂离子电池,收​​集放电和充电过程中的散热实验数据各种费率。 Al Hallaj等。 [25],[26]提出了一种电化学量热测试方法(ARC-Arbin),以对几种具有不同化学性质的LIB进行实验。他们获得了瞬时热量产生率和定义它与细胞阻抗和放电率的相关性。张等人。 [27]利用ARC来衡量具体情况电池的热容量和验证的各种热量大格式袋细胞的生成估计方法基于电池发热率的ARC结果[28]。舒斯特等人。 [29]测试了40Ah商用NCM小袋用ARC创造的绝热环境下的细胞在各种充电/放电率下。绝热测试设计用于模拟极端的发热条件没有冷却,以最大限度地发挥自热效应。

  1. 基于IHCC的实验

IHCC提供等温测试环境以确保a被测电池的恒温。等温边界始终由温度固定的水槽实现与电池单元直接接触或通过一点接触温控室,允许热对流在腔室和电池之间。那里有两个

在实验中广泛使用的IHCC类型。一个是放置两个电池的微量热仪两个单独的散热器,即样品池和参考细胞。另一种是采用Peltier的单散热设计现象或功率补偿方法来控制下沉温度并测量热通量。

邦等人。 [30]采用等温微量热法利用LiMn2O4和LiMn研究LIBs的热分布

LiAl0.17Mn1.83O3.97S0.03阴极,其中热流率从IHCC获得的数据被用作基准热量计算。 Kobayashi等。 [31]采用了联合电化学和量热测量组成单水槽微量热仪和X射线衍射仪调查不可逆热行为的设施LiMn2O4 / C在循环条件和高温下。研究人员实现了基于双槽等温的LiCoO2 / C电池的精确电化学量热法每个电极的量热计和半电池。结果显示表明相变的热峰可能是很容易通过IHCC测量[32]。托马斯和纽曼[7]使用双水槽微量热仪,精度为plusmn;2mu;W,以揭示热量产生的依赖性时间。 Lu和Parakash [33]使用双槽等温微量热仪进行原位测量室温下的发热率。此外,Lu等人。 [34]在LiNi0.8Co0.2O2 / Li上进行了实验和meso-carbon微珠(MCMB)/ Li半电池和LiNi0.8Co0.2O2 / MCMB全电池采用电化学微量热计,检测建模精度低和适度的当前水平。 Downie等。 [35]利用等温微量热法技术来确定电解质添加剂的效果,电压依赖性寄生热流[36]和时间寄生热流动在LIBs [37]。

简而言之,基于实验的LIB热行为研究主要涉及量热法的应用。量热计可以专门设计和配置测试大型商用汽车电池。它是值得注意的是,ARC也已成为一种流行的工具电池热失控测试由于工作原理自热和在极端测试场合下的可用性。

  1. 热风道建模和安全测试

由于EV应用中恶劣的工作条件,热,电和/或机械滥用问题可能导致热失控事件并因此显着。损害电池系统及其主机的安全性车辆。 热失控可能发生在电池单元内当温度升高引起链放热反应时,这会进一步升高温度并引发更多有害反应。 这种高温可以来自逐渐积累的热量无法及时消散,或在短时间内引起的外部剧烈反应时间。

在本节中,热失控的建模将审查各种触发条件,并讨论热,电和电的实验方法机械滥用。

  1. 热风道建模

Spotnitz和Franklin [38]系统地探索了可能性遇到热失控时电池内部的反应。 讨论并分组了常见的滥用情况分为五类:

(a)烤箱测试:将电池暴露在升高的阶段高温。

(b)短路:跨越电阻的低电阻连接电池单元的端子或内部短路在具有不同潜力的层之间。

(c)过充电测试:强制充电电流通过电池单元达到一定的电压限制。

(d)钉子:指甲穿透电池单元一定的比率。

(e)挤压试验:向电池单元按压的棒直到引发内部短路

值得一提的是,(b)中“短路”的定义不再局限于指外部电路。事实上,已经做出了巨大的努力研究被认为是的内部短路(ISC)LIB自诱导热失控的主要原因。此外,上述滥用条件是catego根据自己的特点;他们可能会发生顺序同时或甚至同时。实际上,他们的相互关系如图2所示,船舶复杂且交织在一起。机械滥用包括钉子穿透和挤压可能引起电极的物理接触甚至导致由于高电位和低电位之间的短路对入侵的导电物质。经常滥用电气过充电特征不仅可以导致ISC诱导通过锂枝晶,也加剧了副反应这可能会导致过热。短路可能起源从高电池电池的内部或外部加热温度会使分离器熔化。因此,简短电路是导致LIB过热的关键因素。

Spotnitz和Franklin建立了一个一维模型来呈现在这个过程中潜在的放热反应失控,可归纳如下:

(a)固体电解质界面(SEI)层分解:在90-120℃。

(b)插入的锂离子与电解质的反应:gt;120◦C。

(c)嵌入的锂与氟化的反应粘合剂。

(d)电解质分解:gt; 200℃。

(e)正极活性物质分解。

(f)过充电时,形成金属锂可以与电解质反应。

(g)锂金属可与粘合剂反应。

(h)电池的放电由于熵而释放热量变化,过电位和欧姆电阻。

在本节中,根据滥用condi的类别热力学失控的最先进模型将是介绍。

英语原文共 16 页

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