电池工业网
dcgy2018@126.com
监测阻抗相位移预防锂离子电池起火
发布时间:2018-10-31 13:40
关键词:

监测阻抗相位移预防锂离子电池起火

 

锂离子电池含有高活性化学物质,燃烧的锂离子电池释放的能量大约是与其相同体积汽油的三分之一,所有这些都是由化学反应产生的。锂离子电池相关火灾可分为两大类:外部引发和内部引发。外部包括由电气“滥用”,机械滥用和热滥用,外部引起的火灾更容易监控并避免。内部是电池正极和负极中内部短路和化学物质反应的结果,这种情况难以监测或预测。此外,它们的电压变化也不会超过BMS设定的“安全”限值,到人为干预时可能为时已晚。特别是在电池组中,即使在单个锂离子电池中发生火灾,结果也可能对整个电池及其供电设备造成不利影响。溶剂和材料中含有易燃的碳氢化合物,负极含有氧化性化学物质,因此不需要大气氧气来支持电池的燃烧,也就意味着电池一旦燃烧,通过隔绝氧气是无明显效果的。

 

电池内部的故障包括内部短路和电极材料衰退,使用电压表和电池表面安装的热传感器很难预测内部故障。用于识别阻抗微小变化的阻抗计技术正在日益成熟。这种仪器小而敏感,可以直接监测电池组件的阻抗以改善其热安全性。

 

在本文中美国约翰霍普金斯大学Rengaswamy Srinivasan教授提出了一种预测和预防锂离子电池热失控(TR)的新方法。该方法是基于电池阻抗中φ相移参数对内部温度变化敏感的原理,值得一提的是这种监测方法不受锂离子电池的大小(容量)的约束,并且监测速度只需要几秒钟,可以实现实时监控。作者指出了锂离子电池的起火原因和防火方法,还简要讨论了阻抗监测方法及其在锂离子电池安全性方面的应用。最终提出通过在电池管理系统(BMS)中集成相移监视器来预测和预防TR的建议。

 

监测阻抗相位移预防锂离子电池起火

图1. 在20℃时,53 Ah GS Yuasa 锂离子电池的阻抗(主图); 多个温度下的相移φ(插图)。 5.3 Ah波士顿PowerSwing 5300电池在20℃时的阻抗(主图); 多个温度下的相移φ(插图)。在小容量和大容量电容中,φ随温度的变化很大:从0℃的20°到50℃的0.5°。 另一方面,| Z |的变化太小。因此,φ是跟踪电池内部温度的优选可测量参数。

 

单元阻抗Z是一个复数,由实数Z'和虚数Z“组成。Z'和Z“可以用| Z |振幅和φ相移来表示(Z'= | Z | cos(φ),Z''=| Z | sin(φ),| Z | = [(Z')2+(Z“)2] 1/2)。| Z |对电池大小的依赖性很大,对不同容量大小的电池灵敏度有所不同。而φ则仅仅只受电池温度影响,并且测量φ非常简单。如今仪器测量φ的分辨率为10-3,而且价格便宜,因此直接φ测量比| Z |的测量具有优势。随着电池加热的进行直到发生排气,电池表面温度和电池电压没有明显变化,而φ随温度的增加从大的负值变为较小的负值。该结果证明了监测φ作为预测排气的技术的可行性。因此,φ是精确监测电池内部温度的重要参数;或者在基于BMS的控制系统中可以预测排气和灾难性电池故障。

 

监测阻抗相位移预防锂离子电池起火

图2.在将3 Ah LG HG218650电池加热至热失控期间的相移φ(两图的加热方式左为环绕式加热,右为贴片式加热)与电池加热几何形状无关,在初始电池排气前几乎一分钟观察到φ的显著变化。

 

当电池充电或放电时,基于阻抗测量的技术具有快速且无创的优点。具有相位计和Ecv监视器的BMS的尺寸小功率低,可以在每个单元中跟踪φ和Tint,而不会增加巨大的成本负担。φ和Tint监测可以在BMS中帮助调节和优化充电速率以匹配电池中的单个电池,同时还可以定位单个降级的电池,并最终增加有用的电池寿命。最重要的是,它可以防止与电池放空和热失控相关的灾难性事件。

稿件来源: 能源学人
欢迎投稿
Email:dcgy2018@126.com
电话:
关于我们| 联系我们| 隐私政策| 产品服务| 招贤纳士| 网站地图
Copyright 2008-2018 in 电池工业网 版权所有 ICB-京ICP备15067665号-1号