面向动力电池热失控研究的加速量热系统研制

作     者：张钧豪 

作者单位：中国计量大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王晓娜;杨伟华

授予年度：2021年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：电池热失控 加速量热系统 温度测量 温度控制 

摘      要：随着电动汽车续航里程的增加,动力电池能量密度越来越高,热失控事故频繁发生。目前国内面向动力电池热失控测试的加速量热系统研究还未见报道,仪器被国外垄断,无法满足动力电池的快速发展需求。本文以电池热失控加热量热系统为研究对象,对其工作原理、平台结构、测控系统及温控算法等开展研究,具体研究内容如下。首先,分析了动力电池机械滥用、电滥用和热滥用热失控触发诱因及机理;结合加速量热系统工作原理及热失控行为参数计算方法,对动力电池热失控加速量热系统性能影响因素展开分析,设计了总体方案,提出了系统主要功能和技术参数。其次,分析了加速量热系统的核心部件量热炉性能要求,确定了加热器选型和布局以及热电偶传感器安装位置,设计了超压泄放结构,并对炉体机械结构及辅助功能进行了集成设计;结合炉体结构,设计了基于伺服电机控制的针刺机构、安全防爆箱以及压力测试罐等电池热失控辅助功能单元,搭建了电池热失控加速量热平台。根据仪器功能和性能需求开展软硬件和控温算法设计。对加速量热系统电气布局进行规划,设计了供电模块;以微处理器为核心,设计了温度检测、压力检测、功率检测、控温以及通信电路等;基于μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统,编写了下位机控制软件;针对恒温控制提出了基于前馈补偿的PID温控算法,针对绝热跟踪控制提出了基于模糊PID温控算法;以Lab VIEW软件开发了上位机监控软件和分析软件,进行测试过程进行监控及数据保存、分析。最后,采用研制的加速量热系统对50Ah方形镍钴锰电池热失控、不同SOC的18650钴酸锂电池热失控和针刺热失控进行实验。实验结果表明,系统在室温～350℃内放热检测灵敏度优于0.02℃/min,最大追踪速率为10℃/min,电池热失控热行为参数测试一致性良好。加速量热系统性能达到了设计预期,可为动力电池的热失控安全评估提供有效手段。