Essai de sécurité thermique des batteries d'alimentation Li-ion

Essai de sécurité thermique des batteries d'alimentation Li-ion

Les batteries lithium-ion ont de grandes perspectives d'application en raison de leur densité énergétique élevée et de leur faible autodécharge. Cependant, une grande quantité de chaleur est générée pendant l'utilisation, et la température interne de la batterie augmente rapidement. Des accidents caractérisés par un emballement thermique se produisent souvent, entraînant de graves conséquences. Il est donc indispensable d'étudier la sécurité thermique des batteries.

Des chercheurs nationaux et étrangers ont mené une série d'études sur la sécurité des piles. Notamment, mais pas exclusivement :

Analyse des facteurs influençant les tests de sécurité des batteries.

Les courbes caractéristiques de la tension de fonctionnement et de l'élévation de température des batteries lithium-ion ont été étudiées par le biais d'expériences.

Une série de processus d'évolution des accidents de batteries a été analysée statistiquement, et il a été proposé que le problème central des accidents de batteries soit l'emballement thermique.

Proposer des technologies de développement très avancées pour les batteries électriques, notamment un électrolyte qui ne peut pas s'évaporer ou fuir, et emballer les batteries avec des matériaux robustes.

Sur la base de l'analyse des accidents typiques d'incendies de batteries dans le pays et à l'étranger, des méthodes de contrôle possibles sont proposées, notamment l'amélioration de la stabilité thermique des matériaux des batteries, l'utilisation d'électrolytes sûrs et la conception de nouveaux systèmes d'extinction d'incendie.

Les caractéristiques de fonctionnement des batteries lithium-ion et l'influence de facteurs tels que le taux de charge et de décharge et la température ambiante sur les performances des batteries ont été analysées par le biais d'expériences.

Analyse du processus de génération de chaleur de la batterie, y compris la décomposition du film SEI, de l'électrolyte et de l'électrode positive, ainsi que la réaction entre l'électrode négative et l'électrolyte, l'électrode négative et l'adhésif.

Le contrôle de la température de la batterie par le stockage thermique des matériaux à changement de phase a été étudié par des méthodes expérimentales et de calcul numérique.

L'analyse des données expérimentales a permis d'examiner l'impact du taux de charge et de décharge, de la température environnementale et de l'état de charge sur les caractéristiques thermiques des batteries. L'impact de taux de charge et de décharge plus élevés, de conditions environnementales plus basses et d'un état de charge plus élevé sur l'augmentation de la température des batteries. Parallèlement, la proportion de la résistance interne ohmique et de la résistance interne de polarisation dans le processus de charge et de décharge de la batterie lithium-ion a été analysée.

1 Test

Le système expérimental pour la réponse au chauffage électrique de la charge et de la décharge d'une batterie électrique comprend principalement une batterie, une chambre à température constante, un dispositif de charge et de décharge, un thermocouple, un dispositif d'acquisition de données, un ordinateur, etc. La batterie est une batterie de puissance carrée au lithium-fer-phosphate (130 mm x 70 mm x 22 mm), d'une capacité nominale de 20 Ah pour les batteries individuelles.

Un équipement de test automatique est utilisé pour la charge et la décharge afin d'obtenir un courant de charge et de décharge constant. Utiliser un instrument d'acquisition de données pour recueillir la température de surface de la batterie, le thermocouple étant de type K. Les thermocouples sont placés au centre des électrodes positives et négatives de la batterie, ainsi que sur l'avant et le côté de la batterie. Démarrage contrôlé par ordinateur et enregistrement synchrone des données.

Des expériences de simulation de batterie de puissance à cellule unique ont été menées, avec une charge et une décharge à courant constant à 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C et 1 C, pour tester les changements de température de surface de la batterie pendant le processus de charge et de décharge dans des conditions naturelles de dissipation de la chaleur de l'environnement. Chargez à 3,6 V et déchargez à 2,0 V pour terminer l'expérience.

2 Résultats et analyse

La variation de la température et de la résistance interne de la batterie en fonction du temps à différents points de mesure lors d'une charge à 1 C de courant constant. On peut constater que l'augmentation de la température à différents endroits de la surface de la batterie est similaire. L'augmentation de la température est relativement faible avant le processus de charge pendant 2500 s, mais après 2500 s, la température en différents points de la surface de la batterie augmente fortement. L'analyse suggère qu'à la fin de la charge, la polarisation de la batterie devient claire, et la résistance interne de polarisation augmente, ce qui entraîne une forte augmentation de la vitesse de chauffage de la batterie.

Si l'on compare les températures à différents endroits, la température de la batterie n'est pas uniformément calibrée. À la fin de la charge, la différence de température maximale peut atteindre 10 ℃.

Résumez la loi de variation de la résistance interne totale de la batterie au cours du temps pendant le processus de charge à courant constant de 1 C. On constate que la résistance interne totale de la batterie ne change pas beaucoup au cours du processus de charge. Ce n'est qu'à la fin du processus de charge que la polarisation de la batterie augmente fortement, et l'augmentation de la résistance interne de polarisation entraîne une augmentation de la résistance totale.

À la fin de la charge d'une batterie de puissance unique, l'augmentation de la température de la batterie varie en fonction du courant de charge. Les hausses de température correspondantes pour une charge à 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C et 1 C sont respectivement de 11,9 ℃, 14,5 ℃, 28,5 ℃ et 38,6 ℃. On constate que plus le taux de charge est élevé, plus la puissance de chauffage de la batterie est importante. Dans des conditions de transfert de chaleur par convection naturelle, plus l'augmentation de la température à la surface de la batterie est importante.

Processus de décharge d'une batterie à cellule unique à un courant constant de 1 C : évolution de la température en divers points de la surface de la batterie au fil du temps. On peut voir que le schéma d'augmentation de la température à différentes positions est similaire : pendant le relais de décharge, la température augmente d'environ 25,2 ℃.

À la fin de la décharge d'une batterie de puissance unique, l'augmentation de la température de la batterie varie en fonction du courant de charge. Les augmentations de température correspondantes pour une charge à 0,25 C, 0,5 C, 0,75 C et 1 C sont respectivement de 7,4 ℃, 15,8 ℃, 23,8 ℃ et 25,2 ℃. On constate que plus le taux de décharge est élevé, plus l'augmentation de la température à la surface de la batterie est importante.

3 Conclusion

Le processus de charge et de décharge d'une batterie unicellulaire de 20 Ah et la mesure de la température à différents endroits de la surface de la batterie ont permis d'obtenir une série de modèles. Le processus de charge à courant constant d'une batterie à puissance unique entraîne une forte augmentation de la température de la batterie à la fin de la période de charge. La distribution de la température des batteries individuelles est inégale, et la température des électrodes positives et négatives de la batterie est plus élevée que celle des autres zones.