电极表面不平整性对锂电池短路触发行为的影响

锂离子电池遭受外部冲击时内部隔膜的形变和失效是引发内部短路的关键因素之一。电池电极表面通常并不平整,易造成隔膜应力集中,影响电池的机械稳定性。因此,基于数值模拟和理论分析,针对电池隔膜在非平整表面压缩条件下的力学行为及其短路安全边界进行了深入探讨。选取包括一段宽度为50μm的隔膜及其附近的正负极涂层区域作为代表性单胞,进行二维有限元建模与数值计算。通过分析隔膜等效应力-应变曲线,发现受到不平整表面压缩的隔膜相比于理想平面压缩表现出“软化现象”,随着加载的进行,加载面和隔膜之间的空隙逐渐被填充,非平整面和平整面压缩的载荷差异逐渐减小。通过对隔膜失效应力的参数化分析,发现随着颗粒直径的增大或隔膜厚度的减小,隔膜表现出平均应力降低、屈服点后移等行为,短路失效应力也随之降低。通过对不同加载速率分析,发现隔膜的短路失效应力呈现先增大后减小的趋势,进一步通过建立隔膜在非平整表面压缩下的等效压缩本构模型,从理论上解释了粗糙度对失效应力的影响,并推导出了两者的定量关系。

电动自行车用锂离子蓄电池保护系统测试方法的研究

为完成电动自行车用锂离子电池保护系统的功能性试验,首先分析了锂离子电池保护系统的作用原理,然后以电阻分压的方式满足保护装置的正常运行要求,最后按照相关国家标准搭建了试验系统,使得试验过程具备经济性和便捷性。

基于自产热和外传热的锂离子电池热学模型参数辨识方法

锂离子电池热学模型参数(热容和热阻)的准确辨识对电池热电耦合建模及状态参数估计至关重要。然而传统测量方法成本高且测试周期长,如何利用充放电工况结合产热和传热机理研究快速热参数辨识方法具有重要意义。以8A×h软包锂离子电池为研究对象,建立分布式热路模型;设计双向脉冲工况实验,采用自适应粒子群算法(APSO)进行辨识;同时采用其他工况进行验证,实验和仿真温度误差小于0.1℃。另外,将热容和热阻转换为比热容和导热系数,并与其他文献中同类电池的参数进行比对,量级接近。研究结果表明,该方法可以有效解决层叠式软包锂离子电池热学模型参数辨识难的问题,且简便易行、成本低。

针刺诱发电池热失控的研究进展综述

针刺测试是研究锂离子电池热失效机理和热失控特性的重要方法之一。本文汇总了目前广泛采用的针刺测试设置,并研究了不同变量对热失控演化的影响,包括针刺的深度、速度、位置以及针的材料和直径等,对针刺破坏下锂离子电池内短路及热失控行为进行机理性探索与分析。结果发现,针刺的深度与电池热失控行为的严重程度成正比,针刺的速度对电池热失控没有明显影响,针刺发生在活性材料较密集或电极附近时电池热失控更严重。针的材料和直径对电池热失控行为具有双重影响,需要结合实际情况对产热和散热情况分别进行分析。最后通过总结不同因素对电池热失控的影响,对减缓锂离子电池热失控以及更新其安全测试程序提出了新的见解,为后续的创新型研究工作提供思路。

小样本条件下动力电池容量和内阻协同估计

锂离子电池的容量和内阻分别是表征电池系统能量和功率特性的重要参数,准确估计容量和内阻对于电动汽车电池管理系统有至关重要的作用.提出了一种数据驱动的电池容量和内阻估计方法.该方法首先从电池的恒流充电片段提取容量增量(incremental capacity,IC)特征,经过重采样方法构建特征向量.然后将IC特征输入弹性网络模型进行训练,从而实现容量和内阻估计.应用KIT数据集对所提方法进行验证.结果表明:该模型可以在相同特征输入下实现高精度的容量和内阻协同估计,且在小样本训练(仅使用2个电池作为训练集)时保持容量估计误差在2%以内,内阻的估计误差在3%以内.最后提出了基于容量和内阻双参量的“三段式”电池评价方法.

基于改进主元分析的锂离子电池内短路故障诊断方法

锂离子电池储能技术是建设我国以新能源为主体的新型电力系统的关键。因挤压针刺等强外力作用,生产时混入金属碎屑和析锂导致锂枝晶等容易造成锂离子电池出现内短路故障,但内短路的故障特征不明显,隐蔽性强,诊断难度大。为了灵敏有效地诊断出内短路故障,构建锂离子电池的等效电路模型,并基于递归最小二乘来辨识模型参数,提出扩展卡尔曼滤波方法以准确估计内短路故障电池的荷电状态;基于主元分析方法对电池的电压、电流和荷电状态进行关键信息提取,并在常规主元分析方法的基础上,提出一种综合指标来提高故障诊断的灵敏性。实验平台的测试结果验证了所提方法的可行性和有效性,系统可以灵敏且可靠地诊断出锂离子电池的内短路故障,保障了电池安全运行。

受限空间锂离子电池热失控热传递仿真研究

为探究锂离子电池在航空运输等受限空间条件下的热失控热传递来源及占比,以正极材料钴酸锂(LCO)的18650型锂离子电池(100%荷电状态)为研究对象。通过ANSYS Fluent软件建立锂离子电池热失控热传递模型,将第1节电池及其热失控产生的热解气体作为热源,通过辐射传热和对流换热对第2节电池进行加热至热失控。研究结果表明:第2节电池达到热失控温度时,电池内部副反应产热占总能量的30.01%;第1节电池热失控产生的气体燃烧为第2节电池热失控提供能量,且占总能量的5.64%;第2节电池达到最高温度时,电池内部产热占比87.39%,气体燃烧提供的能量占比为1.76%;热解气体的燃烧虽然加速第2节电池的热失控进程,但提供的能量所占比例较小。

进出口锂离子电池质量安全标准与海关监管优化对策

锂离子电池是拉动我国进出口贸易的“新三样”之一。目前,国际上对锂离子电池的运输和进出口标准不一。缘于锂离子电池自身性质的不稳定性以及企业尚未普遍形成将锂离子电池作为危险品运输的意识,导致锂离子电池在运输过程中事故频发。此外,部分企业在锂离子电池进出口过程中存在不符合标准、不规范申报的情况。因此,海关作为执法部门,应对锂离子电池及其包装实施有效的鉴定和监管,制定行业标准,严防安全漏洞,确保锂离子电池进出口环节安全。

锂离子电池内部信号监测技术概述

锂离子电池在便携式电子产品、储能电站和电动汽车等领域得到了广泛的应用。然而,在电池容量不断上升的同时,锂离子电池的热失控风险也在增加,进而带来安全问题。现有的电池管理系统通过监测电池表面温度以及端电压来判断电池的健康状况。但是研究发现由于电池组件的多层结构和较差的导热性,电池内部温度、气体等很难散发到外部,导致对电池表面温度等外部信号的监测存在时效性差的问题。因此人们尝试直接监测电池内部温度、压力、应变和气体等信号的变化情况,实现及时预警电池热失控,增强锂离子电池在不同应用场景下的安全性。本文在理解热失控机制的基础上,概述了可以监测电池内部信号的方法。总结了锂离子电池在发生热失控时涉及的一系列放热反应,及在这些反应过程中电池内部温度、压力和气体等信号的变化情况。对于能够直接监测电池内部信号的技术,主要介绍了电化学阻抗分析和内置传感器监测,为以后优化监测方法提供参考信息。其中,将传感器植入到电池内部在实际应用中具有良好的前景。为了进一步提高锂离子电池系统的安全性,本文还对未来可能的研究方向进行了展望。

基于孤立森林算法的锂离子电池微内短路故障诊断方法

电池系统的内短路故障是造成电池热失控和火灾事故的主要原因之一,因此有必要对电池内短路故障进行诊断对事故做出早期预警。孤立森林算法是一种无监督的异常检测算法,被广泛应用于异常数据识别领域。根据串联电池组中内短路电池的电压会与正常电池发生偏离的特点,本文提出了基于孤立森林算法的锂离子电池微内短路故障诊断方法。为了对方法进行验证,本文构建了串联电池组进行了不同短路电阻和充放电工况的短路实验,并在实际运行工况下对一个锂离子电池储能系统进行了电池短路实验,然后利用孤立森林算法对实验数据进行分析诊断。结果表明,对于循环充放电工况,孤立森林算法对短路电阻为1000Ω的短路故障诊断精准率超过了74%,召回率超过了76%,准确率超过了91%;在模拟电动汽车实际驾驶的动态工况中,算法对300Ω的短路故障诊断精准率和召回率超过了86%,准确率超过了95%;算法对电池储能系统在实际运行工况下25Ω的内短路故障检测召回率大于98%。实验结果表明,孤立森林算法可以在多种工况下对锂离子电池微内短路故障进行有效检测,被检测出的锂离子电池内短路电阻达到了千欧姆数量级。

不同老化阶段的锂离子电池热特性研究进展

研究锂离子电池不同老化阶段的热特性对于锂离子电池全寿命周期安全运行控制具有重要意义。首先梳理了不同老化阶段电池本征热特性参数和产热特性参数的实验研究进展,厘清相关参数随电池老化阶段变化的规律和内在机理;结合锂离子电池热特性研究的电模型、热模型和老化模型的全面综述与分析,总结了锂离子电池不同老化阶段的产热及温升随环境温度和倍率的变化规律。相关工作可为锂离子电池全生命周期热特性变化和热管理策略研究提供参考。

基于电化学机理模型的锂离子电池早期内短路电热特征研究

锂离子电池的内短路故障是诱发其热失控的主要原因之一,早期内短路特征研究能够为电池管理系统的故障诊断和安全预警提供支撑,对提高电动汽车的安全性具有重要意义。构建了锂离子电池内短路电化学机理模型,实现了不同内短路阻值下的锂枝晶内短路故障模拟。结果表明,由锂枝晶导致的电池内短路产热98%以上来源于正负极产生的焦耳热,早期内短路过程中正负极集流体表面的温升小于1.5 K,不显著的外部热特征无法用于早期内短路故障诊断。与正常电池相比,内短路故障将使得电池充电速度变慢,放电速度变快,端电压异常下降,上述电特征可以为构建早期内短路故障诊断方法提供依据。

锂离子电池的等效时变内阻模型及应用

针对锂(离子)电池在恒流、恒压和/或恒功率等工况下,Thevenin等效电路模型无法在线辨识其模型参数,进而无法描述锂电池特性的问题,提出了一种新的等效时变内阻模型。分析表明,通过将锂电池的开路电压和内阻,描述成未知的时变电压和内阻,并利用安时积分和随机漫步模型,分别表示其未知时变电压和内阻的进化,就可为锂电池建立一种以状态空间进行描述的等效时变内阻模型。分析也表明,因电池充放电而产生的暂态极化电压,可由电池端电流与时变内阻的乘积,以及电池端电压观测噪声分布的组合进行描述。本文模型相比传统模型,在恒流恒压以及恒功率的工况下,SoC估计的均方根误差平均降低了48%。公开充放电测试数据集和实验的SoC估计,均验证了本文模型及分析结果的正确性和有效性。

锂离子电池耐热隔膜的研究进展

锂离子电池(LIB)因能量密度高、循环寿命长等优点,广泛应用于便携式电子产品和大型储能设备中。综述了传统聚烯烃隔膜改进和本征耐热隔膜研发的研究现状及相关机理。在传统聚烯烃隔膜方面,研究主要集中在高热阻系数的无机陶瓷颗粒涂覆和化学接枝、共价交联等有机耐热改性两类方法;在本征耐热隔膜方面,无机陶瓷隔膜、耐热聚合物隔膜以及有机-无机复合隔膜被广泛研究,这些隔膜材料在高温环境中表现出优异的热稳定性、机械性能和电化学性能。通过分析上述方法发现,材料选择、材料改性和结构设计可以显著提升LIB隔膜的耐热性能,同时尽量减少对其力学性能和电化学性能的不利影响。未来研究应集中在利用有机-无机复合材料的性能特点来优化隔膜材料的综合性能,并开发成本低、性能优异的耐热隔膜,从而推动LIB的安全应用和市场推广。

锂离子电池热失控内部压力测试方法研究

锂离子电池作为新能源汽车等战略性产业的核心部件,安全性受到广泛关注。电池安全事故通常始于电池热失控,即电池内部出现剧烈的链式放热连锁反应,产生并释放大量可燃气体。本文提出了一种锂离子电池热失控内部压力测试方法并开展了电池热失控试验,通过测量电池热失控时的内部压力分析热失控过程。结果发现,产气会造成内部压力迅速变化,释放的1 000℃、0.25~0.50 MPa高温高压气体对传热散热过程有显著影响。同时,因产气造成的电池内部压力变化早于内短路造成的开路电压变化和电池产热造成的温度变化。该方法对全面研究热失控机理,提升热失控预警、排气阀设计等电池安全技术性能具有重要意义。

基于弛豫电压的锂离子电池内短路分级检测方法

为了提高锂离子电池在运行过程中的内短路故障检测效率,提出基于弛豫电压的锂离子电池内短路分级及检测方法。首先根据内短路电池暂停放电后的弛豫电压曲线特征,基于支持向量机模型对电池内短路等级进行分类。然后根据分类结果,提出相应的电池内短路故障检测方法。对于中期内短路电池,立即令其退出电池系统;对于早期内短路电池,利用卡尔曼滤波(Kalman filtering,KF)算法实时计算电池荷电状态(state of charge,SOC)偏差;对于无短路电池,保持原检测措施。最后对所提分类及检测方法进行实验验证。实验结果表明该分类方法的正确率受弛豫电压序列的采样总时间长度和采样间隔时间影响,增加恒流恒压充电阶段获取的特征数据能进一步提高内短路分类结果的正确率,实时检测电池SOC偏差的方法能及时发现异常的早期内短路电池。

化学-热耦合分析电池的内阻和产热

锂离子电池在工作时会产生大量的热量,研究电池的产热机制及其对电池内阻的影响具有重要意义。通过数值仿真及混合功率脉冲特性(HPPC)实验,分析环境温度、荷电状态(SOC)及正极材料对内阻的影响。建立基于集总电池模块的电热耦合模型,分析放电倍率、环境温度对电池表面温度的影响。随着SOC的变化,电阻呈两端高,中间平缓的趋势;随着工作温度的上升,电池内阻呈降低趋势,在SOC为0.1和0.9时,15℃和25℃的内阻分别约为35℃时的2.0倍和1.5倍;正极材料是导致电池内阻显著变化的重要因素;电池产热随着放电倍率的增大而增大,且在低温环境下升温更加明显。

高比能量锂离子电池的全周期安全性

高比能量锂离子动力电池及安全性一直是研究的重点。以高镍三元材料LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2)(NCM811)为正极活性物质、石墨复合硅氧材料为负极活性物质,制备300 W·h/kg的动力锂离子电池,研究电池从制成到循环衰减至容量保持率为75%的全周期安全性变化。通过加热测试,评价热稳定性变化,通过针刺测试,评价内短路耐受性的变化,并通过差示扫描量热(DSC)、SEM、四探针测试,分析安全性能变化的机制。电池在容量保持率100%(循环前)、80%、75%时的热失控温度分别为167℃、161℃和143℃,针刺热失控深度分别为1.99 mm、2.52 mm和3.54 mm。随着循环的进行,硅氧负极的固体电解质相界面(SEI)膜持续大幅增加,导致热稳定性下降,内短路耐受性提高。电解液的减少,导致电池生命后期的热失控放热量下降。

一种基于多影响因素的锂离子电池放电内阻动态模型

直流内阻(DCR)是衡量电池健康状况的关键指标,在实际应用中对功率状态的估算以及热管理都具有重要意义。锂离子电池放电DCR与环境温度、电池荷电状态(SOC)以及放电倍率(C-rate)等因素有关,为了研究这些因素对电池内阻的影响,本文提出一种基于多影响因素的锂离子电池放电内阻动态模型,利用二元四次多项式对DCR与环境温度和电池SOC进行最小二乘拟合,再将所得二元四次多项式系数与放电倍率进行三次多项式拟合,最终建立DCR与放电倍率、环境温度和SOC之间关系的内阻模型。运用多倍率混合脉冲功率特性(HPPC)实验对锂离子电池进行充放电测试,并根据测试数据对所提出的模型进行验证,实验结果表明,所建立的动态内阻模型获得的DCR估算值与实验值的最大均方根误差为0.9758 mΩ,证明所提出的电池放电内阻模型是有效的。

涂胶隔膜对锂离子电池性能的影响

以3 Ah软包装动力锂离子电池为研究对象,考察喷涂和辊涂水系涂胶(聚偏氟乙烯及其共聚物)隔膜对电池性能的影响。水系喷涂涂胶隔膜电池具有较低的分容内阻和脉冲充放电直流内阻(DCR)。以不低于2.00 C倍率在2.50~4.25 V充放电,与辊涂涂胶隔膜电池相比,喷涂涂胶隔膜电池的倍率充电恒流充入比高约1%,倍率放电容量比高约0.2%,-20℃放电容量与25℃的容量比低3%以上。25℃和45℃下循环1000次,两种涂胶隔膜性能差异较小;在25℃循环超过1000次,喷涂涂胶隔膜电池性能稍好,循环2000次的容量保持率高约1.7%。