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车用锂离子动力电池热蔓延被动控制方法研究

车用锂离子动力电池热蔓延被动控制方法研究

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作者：高非凡吉林大学

学位级别：硕士

由于日益严峻的环境和能源问题,以电动汽车为代表的新能源汽车近年来发展迅速,在不断扩大其市场份额的同时,电动汽车也越发受到社会关注。作为电动汽车的能量存储设备,车用锂离子动力电池具备能量密度高、循环寿命长和自放电率低的优点... 详细信息

由于日益严峻的环境和能源问题,以电动汽车为代表的新能源汽车近年来发展迅速,在不断扩大其市场份额的同时,电动汽车也越发受到社会关注。作为电动汽车的能量存储设备,车用锂离子动力电池具备能量密度高、循环寿命长和自放电率低的优点,但是高能量密度的动力电池也带来了安全隐患。碰撞、过度充电等极端条件一旦导致某个电池单体发生热失控,短时间内大量热量的释放很容易引发整个动力电池包的起火爆燃,最终导致严重的整车燃烧事故。这种热滥用条件导致的热失控传播很难在没有控制手段的条件下被抑制,因此本文针对车用18650锂离子动力电池,对热滥用条件触发的锂离子电池热失控问题进行探究,以实验与仿真相结合的方法,对热蔓延的被动控制方法进行研究,并进行相关验证与分析。本文首先进行了由热滥用条件触发的锂离子电池热失控实验,热滥用的条件通过高温加热管提供。对热失控过程中电池表面温度和电池电压的特性分析可知,该过程可分为四个阶段,其中的关键现象包括电池内部短路、安全阀开启、射流、燃烧甚至爆炸,热失控发生时电池表面最高温度可达786.41°C,最大温升速率为167.88°C/s。然后根据厂家提供的陶瓷纤维二氧化硅气凝胶复合材料,选取厚度分别为1.5 mm和5 mm的气凝胶作为阻隔热蔓延的单层隔热结构,进行热蔓延控制实验,热滥用条件依然使用高温加热管提供。实验结果表明,在加热的1200s内5 mm厚的气凝胶成功控制了热蔓延并保护了电池的安全,1.5 mm厚的气凝胶不能阻止电池发生热失控,但一定程度上降低了电池表面的温升速率并延长了触发热失控所需的加热时间。其次,为了寻找最优的单层隔热结构,在热滥用条件下保护电池安全的同时,尽量减小二氧化硅气凝胶隔热层的厚度,本文通过仿真方法进行了单层隔热结构的最佳厚度选择。结合仿真得到的电池最高表面温度结果和现有材料的厚度尺寸,最后选定为4 mm厚的二氧化硅气凝胶作为最优单层隔热结构。接着通过数值仿真对传热过程、电池表面温度分布以及计算域中的流场情况进行了分析,由于二氧化硅气凝胶较强的热阻隔能力,电池周围的空气温度比加热管周围更低,因此空气流速更小,其最大速度值约为加热管一侧的35%(加热到200 s时刻)。随后将该厚度的单层气凝胶隔热结构在电池组中进行推广应用,以证明这种结构的有效性。在三种不同的加热管位置布置条件下,电池组中电池表面的最高温度都控制在134.31°C以下,距离加热管最远的电池表面最高温度仅为30°C左右,由此可见二氧化硅气凝胶较好的热蔓延控制能力。最后基于最优的单层隔热结构,本文提出了一种优化的三层式隔热结构,即在4 mm厚的二氧化硅气凝胶两侧分别增加一层薄金属片。这种结构在少量增加隔热层整体厚度的前提下,大大增强了隔热能力。文章分析了该结构中金属层的厚度和金属种类对整体热蔓延阻隔性能的影响,最终发现厚度为0.2 mm的铜片组合4 mm厚的二氧化硅气凝胶这种三层结构具有最好的热蔓延控制效果,最后对这种结构的热蔓延控制机理进行了分析。实验结果表明,与单层隔热结构相比,优化后的三层式隔热结构使热滥用条件下的电池表面最高温度降低了39.18°C,降幅约为29.96%。

关键词：车辆工程热蔓延被动控制车用锂离子动力电池热滥用

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