动力电池健康评估和老化机制分析技术

动力电池的高比能、高安全和长寿命是新能源汽车产业发展的重要保障。车用动力电池在使用中会出现性能衰减,其耐久性与环境气候、服役工况密切相关。对于动力电池表观性能衰减与微观结构演化存在复杂的多对多构效关系,需要以全生命周期演化机理出发,开展跨维度协同分析。本文聚焦“健康状态评估”和“老化机制分析”,从电池老化的原理出发,综合性能、寿命和安全,对车用动力电池的耐久性测试评价关键技术进行了分析和展望。

基于LS-DYNA的电动汽车电池挤压损伤仿真分析

新能源汽车电池包在使用过程中,会因为一些轻微碰撞、冲击或者长期振动等原因,对内部电池单体造成一定的影响,但影响程度不易观察,如何对受损车辆的电池包损伤程度进行合理性的判定,甚至留出一个安全阈值,对于用户来说至关重要。为了对电池系统的安全状态进行评估分析,通过对某高比能电池进行试验并通过LS-DYNA进行仿真分析两个方面建立评价体系,首先对其进行放电容量检测,确认样品信息的一致性,然后对电池单体进行挤压试验与仿真分析,挤压过程中分析其受力变化特性与挤压推进位移的关系,最后挤压至单体热失控,因在试验过程中无法判断挤压后电池变形的真实情况,进而通过仿真分析的方法,判断电池在挤压过程中的变形量演变过程。同时根据挤压试验得到的受力情况,用有限元的方式进行挤压仿真分析,提取变形量、应力等变化特征,对挤压过程中的电池损伤程度演变机理进行了分析。

动力电池在充电过程中的膨胀力特性

锂离子电池在发生热失控前会出现明显的体积膨胀,因此研究动力电池膨胀力的变化规律对于提升电池性能及安全性预警具有重要意义。本文以三元/石墨体系电池作为研究对象,探究了其在不同温度、不同倍率下充电时膨胀力的变化规律。动力电池在25℃充电时的膨胀力增加幅值较小,这是因为较低的环境温度使得锂离子堆积在石墨层表面,电池厚度增加,膨胀力也增大;而较高的环境温度不但使得动力电池的体积变大,也会在充电过程中生成SEI膜,故具有更大的膨胀力。动力电池以不同倍率充电时,膨胀力随着倍率增加而逐渐增加,这可能是因为大倍率充电使得电池温度升高且在材料表面生成SEI膜。CT扫描结果精确量化分析电池在充电过程中的厚度变化。由充电过程中的容量微分曲线(dQ/dV)可知,该电池膨胀力增长趋势的不同主要是因为在不同的充电阶段,正负极材料具有不同的相变,进而从机理层面揭示了动力电池充电过程中膨胀力的变化特征。