提高锂离子电池安全性的技术解决方案第二部分

我希望设计人员在这里获得一些见解，这可能有助于防止锂离子电池在未来在所有类型的环境和产品中起火;至少 直到未来 某个 时间 发现 一种 新 的 成分 电池.

重要的是要找到一种灭火剂，它能扑灭大火并与锂离子电池的化学成分、其电极以及电池舱中的任何其他材料发生适当的反应。对三种灭火剂进行了测试、评估和比较，以了解它们在抑制火灾和热失控反应方面的性能。以前的研究表明哈龙是一种灭火剂，但它的臭氧破坏作用使这种解决方案脱离了可行材料的范畴。

这些测试让我感到不安的是，他们观察到电池实际上在大约两分钟内被外部火灾点燃并持续了超过 24 分钟。此外，电池同时进入热失控状态，即使在电池自行熄灭后仍持续存在。多么大的挑战!

结果表明，锂离子电池起火的原因不仅在于电解质的可燃性，还包括更复杂的热失控反应。因此，即使电池火焰被惰性窒息气体灭火剂抑制，电池内部温度也会重新点燃电池，导致电池级联热失控现象发生爆炸，甚至释放大量白烟。

这些测试中使用的灭火剂是二氧化碳、超细粉末和七氟丙烷。在这三者中，只有七氟丙烷在两个单独的测试中可以防止电池重新点燃、爆炸和热失控。其他两个特工的表现并不好。这些测试的结果表明，锂离子电池外壳需要不易燃或至少具有阻燃性。此外，应考虑单个电池、电池细分或组的温度控制。

监控电池健康：电池管理系统 (BMS)

着眼于估计电池内部状态和参数以测量电池退化程度的问题，这是确保电池安全高效运行的另一种手段。对电池退化的评估将有助于电池的使用寿命预测，但这是一个非常具有挑战性的问题。作者使用独特的控制理论方法，将电池的退化视为故障诊断研究。

这种模型方法的目标是故障检测、隔离和调节 (FDIA)，它是针对突然故障或故障开始迹象的动态系统建模。目标是确保电池系统在较长时间内继续安全、高效和自主地运行。使用基于参数估计和/或通过使用观察器和过滤方法进行状态估计的残差生成技术被认为是这项工作的最佳分析工具。

锂离子电池包含三个主要部件：正极、负极和电解液。电池内部的电解质位于多孔隔板中，允许锂离子在电池正极和负极之间转移。在电池的充电或放电期间发生一个过程，锂离子从正极中提取(或插入)并插入(或从负极提取)。电极由隔板电隔离。

电池退化 被定义为电池特性的不可逆变化。电池故障可能是初期(渐进的)或突发事件。在突发事件中，通常会出现由 BMS 或其他外部电路监控和控制的过充电、过放电、短路等。另一方面，逐渐发生的故障可能不会立即对电池的正常运行产生影响，但随着时间的推移可能会导致故障。本文使用控制和电化学两个方面来处理这种情况。已确定频率方法已被证明在表征该区域的电池退化方面最有效。

在这个渐进效果领域，大部分工作都是离线的，而不是实时分析。研究人员选择了具有时域分析的在线应用程序，以研究两种常见的退化机制，并在每种情况下选择正确的监测方法。这些是电镀机制和正极溶解，两者都会降低电池寿命和耐用性。

这就是粒子过滤方法发挥作用的地方。两种状态的估计，即充电状态(它是固体活性材料浓度的函数)和固体/电解质相电位和参数(正极活性材料的体积分数)是必要的，以允许故障检测。

下一步将是该分析的预计发展到其他降解机制，如阳极上的成膜、应力积聚等，并最终将所有这些研究信息嵌入到一个框架中，以进一步研究电池的寿命状态。电池。

EV 和 PHEV

很明显，电池是驾驶电动汽车的主要绊脚石。尽管这里的电池比智能手机中的电池大得多，但由于锂离子电池的固有技术及其化学成分，类似的问题仍然存在。这里的罪魁祸首是电池均衡，因为大串电池(通常是 100 个)提供约 360V 的电压。请注意，锂可充电电池仍不够成熟或具有成本效益，无法在 EV 和 PHEV 中广泛使用——加上易燃性和循环寿命仍然是绊脚石。

这里还有更多与循环寿命和日历寿命有关的问题。基于磷酸铁锂 (LiFePO 4 ) 的新型电池可以承受 1,000 次循环，并且正在测试表明未来电动汽车使用可能达到 6 到 7,000 次循环。这种化学物质的一个缺点是能量密度略低，为 100 Wh/kg。

在维护安全方面发挥重要作用的主要因素是在开发过程中使用高质量的材料和安全监控。然后，我们还需要持续监控电池电流、电池电压、温度，并采取任何最终的纠正措施将有助于显着提高系统的安全性。

在 EV 和 PHEV 中，更智能的解决方案依赖于电力电子电池均衡器。这种架构不仅可以提高电池的循环寿命(寿命结束前的充放电循环次数)，还可以提高它们的日历寿命(完全充电和无循环到寿命结束的时间)、功率、和安全。

我希望本文中的一些见解将激发创造性的工程思维，以开发解决锂离子电池故障的解决方案，尤其是火灾和爆炸，这将阻碍良好的便携式和手持产品以及急需的高效储能系统和电动汽车.

请在下方添加您的评论和想法，并开始与我们的听众进行讨论，以帮助为应对这些挑战的强大工程解决方案开辟道路。