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检测动力电池热失控,不同传感器表现如何?
发布时间:2019-12-02
 

热失控是锂离子动力电池危害最直接的表现形式,也是动力电池企业和各大车企投入巨大研究和防范的重点。动力电池属于含能体,在某些极端条件下热失控很难避免,电池发生热失控后防护重心应转移到如何更好地保护乘客的生命健康。EVS-GTR和《电动汽车用动力蓄电池安全要求》报批稿均强调了热事件预警信号的重要性,以保证乘客有足够的时间逃生。德国戴姆勒公司Sascha Koch (第一作者)等分别开展了三组实验研究不同传感器在电池发生热失控后的检测表现,研究思路和结果非常具有指导意义,详见Fast Thermal Runaway Detection for Lithium-Ion Cells in Large Scale Traction Batteries. Batteries, 2018, 4, 16.

图文浅析:

表1. 实验所用的7中传感器信息及用途。

检测动力电池热失控,不同传感器表现如何?

实验共用到7中传感器,如表1所示,检测范围涉及电压、气体、烟雾、、蠕变位移、温度、气压和力。其中气体传感器S2为SnO2半导体,主要检测CH4、C3H8和CO。烟雾传感器S3是自制的,通过红外光的反射和LED灯实现检测。

表2. 三组实验具体信息。实验中所有电池处于100%SOC,V2和V3测试在60 ℃进行。

检测动力电池热失控,不同传感器表现如何?

实验共进行了三组,如表2所示,分别是V1、V2和V3。其中V1使用的是20 Ah NMC单电芯软包电池,通过加热板加热触发电池热失控。V2使用的65 Ah NMC软包电池2P的单模组,通过针刺触发热失控。V3使用的58 Ah NMC电池2P双模组,同样通过针刺触发热失控。

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图1. 三组实验传感器布置示意图:(a) V1组;(b) V2组;(c) V3组。图中标记1为Al制密闭装置,标记2为触发热失控的加热板或针,标记3为填充块,标记4为防爆阀,标记5为压力传感器,标记6为气体传感器,标记7为温度传感器,标记8为烟雾传感器,标记9为位移传感器,标记10为传感器区域,标记11为模组。

三组实验传感器布置如图1所示。Al密闭结构的体积并未给出,只告知防爆阀作用压力为30 kPa ≤ Pburst ≤ 70 kPa,V3测试安排有2个防爆阀。其中V1和V3是在密闭条件下进行,V2是在开口条件下进行,所有V2组并未使用压力传感器。

检测动力电池热失控,不同传感器表现如何?

图2. V1组加热触发热失控测试结果。其中"visible venting"虚线表示电池开阀过程在外部可以观察到。

图2所示为V1组测试结果。不难看出气体传感器S2、烟雾传感器S3、压力传感器S6和位移传感器S4响应较快,其中气体传感器S2反应最快,烟雾传感器S3紧随其后。值得注意的是,相较气体信号,电压显著降低几乎滞后了20 s。从温度上看,最大温升达到250 ℃,最高温度接近300 ℃。

检测动力电池热失控,不同传感器表现如何?

图3. V2组针刺触发热失控结果,其中砖红色虚线代表电池被完全刺穿时刻。

如图3所示,V2组实验中同样是气体传感器S2、烟雾传感器S3和位移传感器S4响应最快。同V1组相比,电压响应滞后时间晚了接近40 s,作者认为电池型号不同或触发热失控方式不同所致。最大温升约150 ℃,最高温度接近200 ℃。

检测动力电池热失控,不同传感器表现如何?

图4. V3针刺触发热失控结果,其中砖红色虚线代表电池被完全刺穿时刻。

如图4所示,V3组实验中响应最快的是气体传感器S2 (出现异常)、烟雾传感器S3、位移传感器S4和压力传感器S6,结果同V1组、V2组一致。电压响应滞后了20多秒,但电压在90 s附近和115 s附近出现一定程度波动。温度曲线共出现3次峰值,后两次峰值为模组内其他电池发生排气所致,最高温升为300 ℃。

表3. 传感器结果对比,"+"表示性能良好,"0"表示性能一般,"-"表示性能较差。

检测动力电池热失控,不同传感器表现如何?

综合以上三组测试结果,本研究所用的检测电池热失控的7种传感器表现如表3所示。直观上看没有任何传感器三种优点兼得,均是有得有失。但简单从热失控预警角度出发,要求传感器的检测速度越快越好,气体传感器S2、压力传感器S6和力传感器S7均有很好的响应速度。从以上对比不难看出,常检测的电压和温度均不太适合用于电池热失控预警。热失控预警往往使用多种传感器,可综合考虑系统设计和传感器的优缺点选用两三种传感器进行布置。

论文信息:

Sascha Koch, Kai Peter Birke, Robert Kuhn. Fast Thermal Runaway Detection for Lithium-Ion Cells in Large Scale Traction Batteries. Batteries, 2018, 4, 16. doi:10.3390/batteries4020016.

文/头上长树杈

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