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鋰電池安全性能的分析和計(jì)算公式
時(shí)間: 2018-01-25 22:36 瀏覽次數(shù):
鋰離子電池的熱失控和爆炸是鋰離子電池使用中最危險(xiǎn)的情況,為了能準(zhǔn)確的描述鋰離子電池的風(fēng)險(xiǎn)狀況, Zhao 等根據(jù)災(zāi)難理論分析了鋰離子電池?zé)崾Э睾捅L(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性,首先



   
鋰離子電池的熱失控和爆炸是鋰離子電池使用中最危險(xiǎn)的情況,為了能準(zhǔn)確的描述鋰離子電池的風(fēng)險(xiǎn)狀況,Zhao等根據(jù)災(zāi)難理論分析了鋰離子電池?zé)崾Э睾捅L(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性,首先他們分析了鋰離子電池產(chǎn)熱過(guò)程

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其中i和V為電池兩極輸出電壓和電流,Ereact為電池內(nèi)部材料和SEI膜分解產(chǎn)生的總熱量,Vo為平衡電勢(shì),T為絕對(duì)溫度,Eloss為通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射的散熱速率,右邊則表示電池總的加熱速率,其中C為比熱容,ρ質(zhì)量密度,W為總體積,t為時(shí)間。根據(jù)該公式可以推導(dǎo)出如下公式

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其中θ為無(wú)量綱溫度,Τ為無(wú)量綱時(shí)間,αn為考慮到不同的分解反應(yīng)的活化能和產(chǎn)熱的參數(shù)?;谠摴娇梢詫?duì)圓柱型鋰離子電池的熱失控過(guò)程進(jìn)行描述,描述過(guò)程是基于三個(gè)變量U、V、W,而這幾個(gè)變量又是基于θ和αn兩個(gè)值。

由于電池的安全性與電池濫用是負(fù)相關(guān)的,因此有如下關(guān)系

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可以將安全函數(shù)計(jì)算公式設(shè)為如下模式,其中g(shù)(x)為濫用函數(shù),當(dāng)g(x)趨向無(wú)窮大的時(shí)候,安全函數(shù)趨向0,表明電池極度不安全,而濫用函數(shù)g(x)為0的時(shí)候,電池完全沒(méi)有濫用,因此電池安全函數(shù)值為1,表明電池是完全安全的。

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一般我們可以設(shè)安全函數(shù)閥值為0.8,當(dāng)安全函數(shù)值小于0.8時(shí),就可以判定電池處于危險(xiǎn)狀態(tài)。該公式應(yīng)用的關(guān)鍵是找到一個(gè)合適的濫用判斷函數(shù),濫用函數(shù)要包含多種與電池狀態(tài)相關(guān)的變量,例如電池的使用溫度T,輸出電流I,電壓V,荷電狀態(tài)SOC,以及電池健康狀態(tài)SOH等參數(shù)。

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鑒于高維函數(shù)難以推導(dǎo),因此我們嘗試降低難度,以單一變量推導(dǎo)ƒsafe函數(shù),可以用于判斷電池安全性的指標(biāo)有多種,例如電流、電壓、溫度等,我們嘗試?yán)萌萘繛?.1Ah的磷酸鐵鋰18650電池進(jìn)行相關(guān)安全實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)ƒsafe函數(shù)。下面我們將以電流這個(gè)變量嘗試推導(dǎo)安全函數(shù)ƒ與電流之間的函數(shù)關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在20C的電流下,磷酸鐵鋰18650電池是完全安全的,但是當(dāng)電流達(dá)到30C的時(shí)候,電池溫度開(kāi)始升高,因此我們可以認(rèn)為X<20C以下的時(shí)候,電池是完全安全的,因此安全函數(shù)ƒ值為1,30C以上時(shí)電池是不安全的,即電流為X=30C時(shí),ƒ值為0.8。根據(jù)如下公式進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算

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經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算得出d=20,m=0.0025,因此對(duì)于電流這個(gè)變量有如下安全函數(shù)

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可以利用如上方法推導(dǎo)的單個(gè)變量的安全函數(shù),當(dāng)安全函數(shù)值小于0.8時(shí)電池就處于危險(xiǎn)狀態(tài)了,根據(jù)該函數(shù)就可以對(duì)電池的安全狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。電池對(duì)于多個(gè)變量的總體安全函數(shù)可以定義為如下形式,并根據(jù)實(shí)際情況確定一個(gè)ƒ值,以確保ƒ在該值以上電池是安全的

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從上面推導(dǎo)過(guò)程可以注意到,該方法最重要的點(diǎn)是如何選擇一個(gè)ƒ=0.8的點(diǎn),這需要根據(jù)具體電池系統(tǒng)對(duì)安全性要求的高低進(jìn)行確定,例如對(duì)安全性要求較高的電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域就需要對(duì)ƒ=0.8點(diǎn)選擇更加嚴(yán)格,而手機(jī)電池就可以適當(dāng)?shù)姆艑捯恍?/span>

該方法將電池安全性指標(biāo)概念性的描述轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)函數(shù),由此可以獲得一條電池安全性曲線(xiàn),對(duì)電池安全性的評(píng)估也更加直觀,并對(duì)多個(gè)影響電池安全性的變量進(jìn)行整體的跟蹤,即時(shí)確定電池的安全狀態(tài),方便BMS系統(tǒng)對(duì)電池的管理。

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