{{{sourceTextContent.title}}}

Test de sécurité pour les piles au lithium

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Test de sécurité pour les piles au lithium

{{{sourceTextContent.description}}}

Par rapport aux applications telles que les ordinateurs portables, les téléphones mobiles et les applications fixes telles que le stockage d'énergie et l'alimentation de secours, l'environnement d'utilisation des batteries lithium-ion pour les véhicules électriques est plus complexe, plus varié et plus exigeant. Par exemple, les batteries doivent être exposées à une large gamme de températures pour fonctionner, les packs de batteries doivent résister à des vibrations prolongées pendant le fonctionnement du véhicule, et nécessitent un taux de charge et de décharge élevé. La charge et la décharge à haut débit peuvent entraîner une augmentation de la chaleur à l'intérieur de la batterie. Si le système de gestion thermique ne parvient pas à réchauffer la batterie en temps voulu, les températures élevées peuvent provoquer diverses réactions secondaires à l'intérieur de la batterie, telles que la décomposition du film SEI, la réaction de l'électrode négative et de l'électrolyte, la décomposition de l'électrolyte, etc. et, en fin de compte, un emballement thermique.

Une fois que la batterie entre dans la phase d'emballement thermique, elle est confrontée au risque d'incendie et d'explosion dans un court laps de temps. En outre, contrairement aux batteries utilisées dans l'électronique grand public, les batteries utilisées dans les véhicules électriques ont une tolérance aux pannes plus faible. Si l'on prend l'exemple de la batterie 18650, la probabilité d'une défaillance interne spontanée (également connue sous le nom de défaillance de champ) peut être contrôlée entre 1 sur 40 millions et 1 sur 10 millions, ce qui est relativement fiable pour les produits électroniques grand public. Cependant, lorsqu'elle est utilisée dans des véhicules électriques, en raison du nombre de cellules de batterie dans le bloc-batterie qui est généralement de plusieurs centaines, voire de plusieurs milliers, même une probabilité de défaillance spontanée aussi faible doit faire l'objet d'une attention suffisante.

En résumé, comme il s'agit de l'un des principaux composants des véhicules électriques, l'amélioration de la sécurité des batteries d'alimentation est de la plus haute importance pour le développement de l'industrie des véhicules électriques. Il est donc particulièrement urgent de procéder à des essais et à une évaluation efficaces de la sécurité des batteries de puissance. Cet article combine le système de normes actuel et les résultats de recherches connexes pour analyser et résumer les méthodes actuelles d'évaluation de la sécurité des batteries de puissance, dans l'espoir de fournir des références et des conseils utiles pour établir des méthodes d'essai et d'évaluation quantitatives plus scientifiques.

1 Épreuve de sécurité des différentes batteries de puissance

1.1 Norme d'essai

Le risque d'incendie, d'explosion, etc. dans le cadre d'une utilisation correcte des batteries d'alimentation avec un niveau de contrôle élevé est extrêmement faible. Ce n'est que lorsque la batterie dépasse les limites de l'état dans l'utilisation réelle, comme la surcharge, le court-circuit ou la surchauffe, qu'il peut y avoir un risque d'emballement thermique de la batterie

Bien que l'emballement thermique des batteries soit une situation anormale, l'état de fonctionnement et l'environnement d'utilisation réel des batteries d'alimentation dans les véhicules sont complexes et variables, de sorte que la recherche sur le comportement d'emballement thermique des batteries ne peut être ignorée. En étudiant le comportement d'emballement thermique des batteries, nous pouvons non seulement comprendre les caractéristiques du processus d'emballement thermique des batteries, détecter les dangers de sécurité à un stade précoce de l'utilisation réelle, réduire les risques de sécurité, mais aussi prendre des mesures efficaces pour empêcher les accidents de s'aggraver lorsque la batterie subit un emballement thermique, fournissant ainsi un soutien technique solide aux efforts de sauvetage

1.2 Essai de stabilité thermique

La sécurité des cellules de batteries de puissance peut être divisée en sécurité intrinsèque (stabilité thermique) et en sécurité de déclenchement (y compris l'emballement thermique causé par des facteurs externes tels que la surcharge, le chauffage, la perforation, le court-circuit, etc. Dans le premier cas, un calorimètre adiabatique accéléré est une méthode de caractérisation efficace. Les courbes de température et de taux de changement de température au cours de l'évolution de la stabilité thermique de plusieurs batteries lithium-ion sur le marché (les échantillons A, C et D étant des batteries à système carbone ternaire et l'échantillon B étant des batteries à système carbone lithium-fer-phosphate). Les caractéristiques intrinsèques d'emballement thermique des batteries d'énergie comprennent principalement six étapes typiques, à savoir la diminution de la capacité, la chaleur auto-générée, la fusion de la membrane, le court-circuit interne, l'augmentation rapide de la température interne et la réaction résiduelle.

En outre, pour les batteries lithium-ion avec différents systèmes de matériaux, le temps d'incubation requis pour l'emballement thermique de la batterie lithium fer phosphate (échantillon B) est le plus long, et la température du point d'inflexion pour l'emballement thermique sévère est la plus élevée (en utilisant 10 ° min comme critère pour l'emballement thermique sévère)

Par rapport aux piles neuves, l'analyse de la stabilité thermique des piles tout au long de leur cycle de vie est tout aussi importante. Comparaison des courbes d'évolution de la stabilité thermique d'une certaine batterie lithium-ion à différentes durées de cycle. D'après la situation générale, il existe des différences significatives dans les nœuds de température sur les courbes d'emballement thermique pour différents cycles. Au fur et à mesure que le nombre de cycles augmente, la température de décomposition du film SEI diminue progressivement et le temps d'emballement thermique de la batterie est avancé, ce qui la rend de plus en plus sujette à l'emballement thermique. Il faut donc que la conception et l'utilisation des systèmes de batteries d'énergie tiennent pleinement compte de la situation réelle de la batterie à la fin de sa vie, afin d'éviter les risques de sécurité tels que la défaillance de la batterie après une certaine période d'utilisation.

1.3 Test d'emballement thermique

La recherche sur la méthode de déclenchement de l'emballement thermique dans les batteries de puissance est mentionnée plus haut. Les batteries d'énergie seront confrontées à divers environnements et conditions de travail au cours de leur utilisation réelle, il est donc nécessaire d'étudier et de vérifier la sécurité de leur déclenchement. À l'heure actuelle, les méthodes de déclenchement de l'emballement thermique couramment utilisées dans l'industrie comprennent principalement la surcharge, le chauffage et l'aiguilletage. Les caractéristiques de trois méthodes typiques de déclenchement d'emballement thermique sont comparées. Parmi les autres méthodes de déclenchement qui en sont encore au stade exploratoire figurent les courts-circuits internes, qui reposent principalement sur l'incorporation de métaux à mémoire, de matériaux à changement de phase, etc. à l'intérieur de la batterie pour obtenir un déclenchement contrôlable de courts-circuits à l'intérieur de la batterie. à l'intérieur de la batterie pour obtenir un déclenchement contrôlable de courts-circuits internes. La probabilité de déclenchement, la répétabilité et la liberté de position de cette méthode sont relativement élevées, mais comme elle ne peut être modifiée que par l'usine de fabrication de la batterie dans la pratique, sa mise en œuvre est difficile et limitée du point de vue de l'application.

En sélectionnant plus de dix produits typiques que l'on trouve couramment sur le marché et en menant des recherches expérimentales sur les trois méthodes de déclenchement typiques mentionnées ci-dessus, on a constaté qu'il existe certaines différences dans la probabilité de déclenchement de l'emballement thermique de l'échantillon entre les trois méthodes de déclenchement. En d'autres termes, la méthode de chauffage peut déclencher un emballement thermique dans tous les échantillons, l'acupuncture peut presque déclencher un emballement thermique dans tous les échantillons, et la surcharge ne peut déclencher un emballement thermique que dans 46 % des échantillons. La principale raison en est la structure des piles carrées et cylindriques. La surcharge peut déclencher des mécanismes de protection internes pour empêcher l'emballement thermique.

1.4 Emballement thermique des cellules de batteries de puissance tout au long de leur cycle de vie

Au fur et à mesure que le nombre de cycles de la batterie augmente, il peut se produire des phénomènes de détérioration tels que des modifications du film SEI, la croissance de dendrites de lithium et des micropores dans la membrane à l'intérieur de la batterie, ce qui peut conduire à une diminution de la sécurité de la batterie. Par conséquent, l'étude des caractéristiques d'évolution de la sécurité des batteries d'énergie tout au long de leur cycle de vie est d'une grande importance pour l'application sûre et fiable des produits. La loi d'évolution de la sécurité contre les courts-circuits d'une certaine batterie lithium-ion en fonction du nombre de cycles montre que lorsque le nombre de cycles atteint 1000, la sécurité de la batterie se détériore fortement.

Dans l'ensemble, l'analyse statistique de la sécurité d'un grand nombre d'échantillons soumis à différents cycles de perforation, de chauffage et de surcharge a permis de constater que l'évolution de la sécurité de certaines batteries au lithium-ion présente un schéma clair, c'est-à-dire que la sécurité se détériore soudainement après avoir atteint un certain stade de vieillissement. Parallèlement, un petit nombre d'échantillons présentent une spécificité et leur sécurité ne se détériore pas de manière significative avec l'augmentation de la durée des cycles. Il est donc nécessaire de procéder à des évaluations pour des objets spécifiques avec des systèmes de matériaux et des conceptions structurelles spécifiques, afin de fournir les orientations nécessaires à la conception des systèmes de gestion des batteries et des mesures de protection de la sécurité tout au long du cycle de vie.

2 Essais de sécurité du système de batterie de puissance

2.1 Norme d'essai

L'objectif des essais de sécurité est de vérifier la sécurité du système de batteries d'alimentation en cas d'abus et, surtout, de vérifier la capacité du système de batteries d'alimentation à protéger les passagers dans des situations dangereuses. Cela comprend principalement la simulation mécanique et environnementale de différentes conditions, et la vérification de la fiabilité du système de batterie en cas de vibrations, de simulation mécanique de collisions, de chutes, d'écrasement et d'autres situations

Les essais de sécurité environnementale consistent à simuler différentes conditions environnementales afin de vérifier la sécurité des systèmes de batterie dans des environnements tels que les températures élevées, les basses températures, l'humidité élevée, les changements de température soudains, les embruns salés, le feu et l'immersion dans l'eau.

La fiabilité de la protection consiste à vérifier la fonction de protection du système de batterie en simulant des situations inattendues susceptibles de se produire pendant l'utilisation du véhicule, notamment la protection contre la surcharge, la protection contre la décharge, la protection contre la surchauffe, la protection contre les surintensités, la protection contre les courts-circuits et d'autres aspects. Dans l'essai de fiabilité de la protection, le système de gestion de la batterie ou le dispositif de protection est la seule condition qualifiée pour qu'il fonctionne. Les fabricants peuvent être classés en différents niveaux en termes de conditions de protection. Si l'on prend l'exemple de la surcharge, différents niveaux de seuils de tension peuvent être spécifiés pour correspondre à différentes actions - invites, alarmes, relais de déconnexion, etc

2.2 Test de diffusion thermique

Le test de diffusion thermique est un aspect plus important du test de sécurité du système de batterie. Son principe de base est d'assurer l'évacuation en toute sécurité des conducteurs et des passagers du véhicule, et de vérifier comment assurer la sécurité personnelle des passagers du véhicule en cas d'emballement thermique du système de batterie d'alimentation.

La recherche sur la sécurité de la diffusion thermique des systèmes de batteries d'énergie porte principalement sur la sélection des méthodes de déclenchement de l'emballement thermique pour les objets déclenchant l'emballement thermique (y compris l'équivalence des différentes méthodes de déclenchement et la comparabilité des résultats des tests pour différents objets utilisant la même méthode de déclenchement) et sur la détermination des conditions d'évaluation. Parallèlement, l'accent est mis sur les caractéristiques et les mécanismes de propagation du comportement de diffusion thermique dans les systèmes de batteries d'énergie, afin de fournir des données expérimentales et un soutien technique pour la conception de la sécurité des systèmes de batteries d'énergie.

Au niveau de l'application automobile, il est également nécessaire d'examiner les conditions de sécurité et de jugement dans les conditions de fonctionnement du véhicule. Si l'analyse de l'emballement thermique et de la diffusion thermique se produit lorsque la batterie est installée dans un bus, les résultats expérimentaux montrent qu'après environ 5 minutes d'emballement thermique, le feu commence à se propager et à pénétrer dans la voiture. Parallèlement, afin de déterminer le temps d'évacuation d'un emballement thermique soudain de la batterie à pleine charge, des personnes de différents groupes d'âge ont été sélectionnées comme sujets d'essai pour les tests d'évacuation du personnel, la durée la plus longue étant de 51 secondes. En se basant sur le temps nécessaire au véhicule pour détecter une alarme et s'arrêter d'urgence, ainsi que sur un certain seuil de sécurité, un temps d'évacuation préliminaire de 5 minutes a été déterminé pour le personnel, ce qui constitue l'exigence minimale pour l'évacuation de l'ensemble du véhicule.

3 Conclusion

Cet article résume et analyse le système standard d'essai et les méthodes d'évaluation actuels pour la sécurité des batteries d'énergie. Au niveau des éléments de batterie, les méthodes de caractérisation de la stabilité thermique et l'état actuel et les tendances du système standard d'essai et d'évaluation pour la sécurité de déclenchement ont été principalement analysés. Au niveau du système, l'accent a été mis sur la discussion du système standard pour les tests de sécurité des systèmes de batteries et sur la méthode d'évaluation des tests de diffusion thermique.

Avec la promotion et l'application des véhicules à énergie nouvelle et l'augmentation du nombre de véhicules, de nombreux véhicules ont roulé pendant plusieurs années ou des dizaines de milliers de kilomètres, et il y a eu récemment quelques accidents de sécurité de véhicules électriques. La maîtrise de la loi d'évolution de la sécurité des batteries électriques tout au long de leur cycle de vie, ainsi que la détection et la gestion efficaces de la sécurité des batteries tout au long de leur cycle de vie, sont d'une grande importance pour l'utilisation en cascade des batteries de sécurité des véhicules électriques. Plus précisément, la mise en place d'un système de test et d'évaluation des batteries électriques, de l'individu au système, couvrant l'ensemble du cycle de vie, et la prise en compte des conditions réelles d'application des véhicules, afin de former un système complet de test et d'évaluation de la sécurité des batteries électriques, seront bénéfiques pour l'amélioration du niveau de sécurité de l'industrie des batteries électriques.