电动汽车动力锂离子电池可控短路装置及实验特性研究

作     者：刘怡宁 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张彩萍

授予年度：2022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] 

主      题：锂离子电池 电池安全 外短路故障 外短路测试平台软硬件设计 实验特性分析 

摘      要：锂离子电池由于具备优越的能量密度、功率密度以及循环寿命性能,是移动电子设备、电动汽车、轨道交通车辆和储能电站的首选储能单元。然而高能量密度同时也带来了更大的安全风险。外部短路是锂离子电池安全事故的常见诱因之一,而业界公认最有效的外短路防护方式是熔断器的快速熔断防护,电池的健康状态和安全状态与熔断时间相关,但是由于外短路实验条件的限制导致短时大电流外短路对电池损伤评估的研究基本空白,熔断器的选择没有合适的依据。课题针对可控外短路实验需求设计了短路电流可调、短路时间可控的外短路实验平台,基于可控平台研究了不同短路时间和短路电流对磷酸铁锂电池的影响特性。文中主要完成了以下几方面的工作:1.以C8051F340单片机为控制中心,设计了基于MOSFET控制的多通道并联可控外短路实验平台硬件电路方案,包括负责实现实验参数解析、驱动信号下发以及实验结果反馈的控制单元以及负责实现短路可控发生和电流分级可调的执行单元。2.基于C语言编写了硬件系统底层代码,基于Lab VIEW环境设计了上位机平台,实现了人机交互,实验参数设定及实验结果显示功能。3.针对所设计的可控外短路实验平台进行搭建,并进行了包括MOSFET同步性、并联功率板均衡性、MOSFET尖峰电压、短路时间控制精度以及短路电流调节能力的性能验证,测试结果表明了可控装置能够安全可靠工作,能够满足可控外短路实验需求。4.基于可控装置搭建了外短路实验平台,介绍了外短路实验方案,对磷酸铁锂电池开展了外短路实验,并对实验结果进行了分析,发现短路电流保持不变时,电池的损伤程度随着外短路持续时间的增加而加大,并且当短路时间足够大时,电池会出现安全问题,因此电池外短路防护存在性能防护边界和安全防护边界;保持短路时间不变,随着电流的增加,电池出现安全问题的时刻会提前,当电流增加到一定值时,电池不会出现安全问题,因此电池出现安全问题是受外短路电流和短路时间共同作用的结果;在短时大电流外短路实验中磷酸铁锂电池在相对长时间尺度下本身发生了局部熔断,根据短时间尺度下的外短路数据发现短时大电流冲击对电池损伤的效果是累积的,并提出防护边界的存在。