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Analyse de l'essai de sécurité et de stabilité des batteries lithium-ion - Partie 2

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Analyse de l'essai de sécurité et de stabilité des batteries lithium-ion - Partie 2

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1.3 Essai de surcharge

La surcharge d'une seule batterie doit être arrêtée après une charge à courant constant de 1 I1 (A) jusqu'à ce que la tension atteigne 15 fois la tension de fin de charge spécifiée dans les conditions techniques de l'entreprise ou que le temps de charge atteigne 1 heure. Observer pendant 1 heure. Au cours de ce processus, la batterie ne doit pas exploser ni prendre feu. La surcharge de la batterie du module consiste également à arrêter la charge après une charge à courant constant de 1 I1 (A) jusqu'à ce que la tension d'une seule batterie atteigne 15 fois la tension de fin de charge spécifiée dans les conditions techniques de l'entreprise ou que le temps de charge atteigne 1 heure, et à observer pendant 1 heure. Au cours de ce processus, la batterie ne doit pas exploser ni prendre feu.

Au stade initial de l'essai de surcharge, la couche métastable du film limite de l'électrolyte solide (SEI) se forme à la surface de l'électrode négative en carbone et provoque une première réaction de décomposition exothermique. En continuant à charger, la tension de la batterie continue à augmenter, et la température de la batterie continue à s'élever. Outre la réaction entre les électrodes positives et négatives et l'électrolyte décrite dans le présent document, une tension élevée entraîne également la décomposition de l'électrolyte. Par conséquent, une grande quantité de gaz sera générée à l'intérieur de la batterie, et la batterie gonflera sérieusement (comme le montre la figure 1). Poursuivre la charge. Sous l'action d'une température et d'une pression élevées, une grande quantité de gaz est pulvérisée à l'intérieur de la batterie pour former une épaisse fumée, comme le montre la figure 2. Dans ce cas, le carbonate linéaire contenu dans l'électrolyte s'enflamme sous l'effet de la température élevée après quelques dizaines de secondes, provoquant un incendie ou même une explosion, comme le montre la figure 3.

Un autre type d'incendie de batterie peut se produire lors de l'essai de court-circuit du module au cours duquel plusieurs batteries sont connectées en parallèle puis en série. Lorsque la batterie est sérieusement déformée par la production et le gonflement de gaz, les cosses positives et négatives à l'extérieur de la batterie entrent en contact sous l'action de la pièce de connexion, ce qui provoque un court-circuit et un incendie, comme le montre la figure 4.

1.4 Essai d'écrasement

L'écrasement du monomère doit être un demi-cylindre d'un rayon de 75 mm (la longueur du demi-cylindre est supérieure à la taille de la batterie extrudée). La direction de l'écrasement doit être perpendiculaire à la direction de la plaque de la batterie. Presser la batterie à la vitesse de (5 ± 1) mm / s pour l'arrêter après l'une des conditions suivantes : la tension atteint 0V ou la déformation atteint 30% ou la force d'écrasement atteint 200kn, et observer pendant 1h. Dans ce projet, la batterie ne doit pas exploser ni prendre feu. La plaque d'écrasement utilisée pour l'écrasement des modules est similaire à l'écrasement simple. La direction d'écrasement est la même que la direction dans laquelle le module de batterie est le plus susceptible d'être écrasé dans la disposition de l'ensemble du véhicule (si la direction la plus susceptible d'être écrasée n'est pas disponible, appliquer la pression perpendiculairement à la direction de disposition de la batterie unique). Lorsque la déformation du module de batterie atteint 30 % à (5 ± 1) mm/s ou que la force d'écrasement atteint une certaine valeur, arrêter l'essai pendant 10 minutes et observer pendant 1 heure. Au cours de ce processus, le module de batterie ne doit pas exploser ni prendre feu.

Il existe deux situations dans lesquelles l'écrasement fait perdre à la batterie le contrôle de la chaleur : la pression d'écrasement déforme la batterie et le diaphragme interne est rompu. La réaction provoquée par le contact des plaques positives et négatives de la pile est similaire à celle de l'essai d'acupuncture, entraînant l'incendie et l'explosion de la pile, comme le montre la figure 5 ; le second cas est similaire à l'essai de court-circuit. Après la déformation de la batterie, les cosses positives et négatives entrent en contact pour former le phénomène de court-circuit externe de la batterie, et finalement l'incendie et l'explosion se produisent, comme le montre la figure 6.

2.Test de sécurité dans la norme GB /T314673-2015

La norme GB / T314673-2015 porte sur les exigences de sécurité et les méthodes d'essai des batteries d'alimentation au lithium-ion et des systèmes pour véhicules électriques. Elle comporte 16 points d'essai de sécurité. Les tests de sécurité des performances électriques (protection contre la décharge excessive, protection contre la charge excessive, protection contre les courts-circuits et protection contre la surchauffe) du bloc-batterie et du système sont tous des tests de protection. En d'autres termes, si le bloc-batterie ou le système dispose d'actions de protection telles que la déconnexion du relais et la fusion du fusible pendant le test, le test est réussi et il n'y a généralement pas d'emballement thermique. Dans l'ensemble, la proportion d'emballement thermique d'un bloc-batterie ou d'un système lithium-ion est faible et se concentre principalement dans le processus d'essai de vibration et d'écrasement.

2.1 Test de vibration

Installer l'objet à tester sur la table vibrante. L'essai de vibration est effectué dans trois directions, en commençant par l'axe z, puis l'axe Y et enfin l'axe x. Pour les objets testés installés à d'autres endroits, la durée du test dans chaque direction est de 21 heures. Pendant l'essai, surveillez l'état de la plus petite unité de surveillance à l'intérieur de l'objet d'essai, comme la tension et la température. Après l'essai de vibration, observez pendant 2 heures que le bloc-batterie ne présente pas de fuite, de rupture de l'enveloppe, d'incendie ou d'explosion. La résistance d'isolement après l'essai ne doit pas être inférieure à 100 Ω/V.

Dans le processus de vibration à long terme, la feuille isolante de la batterie du module peut facilement se détacher ou s'user, et les contacts des cosses positives et négatives ou les contacts avec la coque du bloc-batterie forment un court-circuit, ce qui entraîne un emballement thermique de la batterie, comme le montre la figure 7. En même temps, pendant le processus de vibration, on constate également que la partie de connexion de la batterie génère une forte contrainte et qu'elle est facile à arracher au niveau de l'oreille polaire avec une forte connexion brillante à l'état statique, comme le montre la figure 8.

La norme de vibration de GB / T314673-2015 est trop stricte par rapport à d'autres normes, et de nombreux blocs-batteries subiront un emballement thermique pendant le test de vibration. Dans l'amendement n° 1, la norme de vibration est modifiée pour une vibration sinusoïdale de 15 minutes du bloc-batterie ou du système, et la fréquence de vibration augmente de 7 Hz à 50 Hz, puis revient à 7 Hz. Ce cycle doit être répété 12 fois en 3 heures dans la direction verticale de la position d'installation du bloc-batterie ou du système spécifiée par le fabricant. Effectuer un cycle standard après la vibration. Après l'essai, observer pendant 1 heure à la température ambiante de l'essai. Exigences : le bloc-batterie ou le système doit être connecté de manière fiable et la structure doit être intacte. La résistance d'isolement après l'essai ne doit pas être inférieure à 100 Ω/V. Après la mise en œuvre de l'ordre de modification, l'emballement thermique du bloc-batterie se produit rarement. La norme d'essai de vibration du bloc-batterie doit être formulée en fonction du spectre routier du véhicule électrique circulant sur la route générale. Il ne convient pas d'être trop strict ou trop souple. Par conséquent, l'objectif actuel est de formuler et de mettre en œuvre la norme de vibration du bloc-batterie avec des paramètres corrects et des étapes parfaites dès que possible.

2.2 Test d'écrasement du bloc-batterie

L'écrasement du bloc-batterie se fait à l'aide d'un demi-cylindre d'un rayon de 75 mm. La longueur du demi-cylindre est supérieure à la hauteur de l'objet testé, mais ne dépasse pas 1 mètre. L'écrasement est interrompu lorsque la force d'écrasement atteint 200kn ou que la déformation de l'écrasement atteint 30% de la taille totale dans la direction de l'écrasement. Conserver pendant 10 minutes et observer pendant 1 heure. Le bloc-batterie doit être exempt d'inflammation, d'explosion et d'autres phénomènes.

Au cours de l'essai d'écrasement du bloc-batterie, il a été constaté que le bloc-batterie qui passe l'essai d'écrasement arrête généralement l'essai après que la force d'écrasement a atteint 200kn. Si la résistance de l'enveloppe du bloc-batterie n'est pas suffisante et que la déformation du bloc-batterie atteint 30 %, un incendie se produit généralement (comme le montre la figure 9). En effet, après la déformation du bloc-batterie, la déformation de certaines batteries à l'intérieur du bloc-batterie peut même dépasser 80 %. Dans ce cas, le monomère ou le module à l'intérieur du bloc-batterie sera thermiquement incontrôlable.

Dans l'amendement n° 1, la force d'écrasement de la tête d'écrasement passe de 200 kn à 100 kn, et les autres normes restent inchangées. Dans le fonctionnement réel de l'ensemble du véhicule, la force d'écrasement après la collision n'est pas certaine, et la déformation de la batterie peut être très importante. Par conséquent, de nombreux véhicules électriques prendront feu en cas d'accident de collision.

3.Conclusion

Une série de réactions se produisent dans les batteries lithium-ion pour des raisons individuelles ou en cas de mauvaise utilisation ou d'abus, entraînant un emballement thermique, un incendie ou une explosion de la batterie. Des paramètres corrects et des normes d'essai standardisées sont des moyens importants pour vérifier la sécurité des batteries. Cet article présente plusieurs tests représentatifs dans lesquels les cellules, les modules, les packs de batteries et les systèmes de batteries sont sujets à l'emballement thermique, et analyse les causes et le mécanisme de l'emballement thermique. À l'heure actuelle, la batterie lithium-ion n'est pas parfaite et le problème de la sécurité est le principal problème qui limite l'industrie des nouvelles énergies. Cependant, avec la popularisation et l'application de matériaux de batterie lithium-ion de haute sécurité, la maturité de la technologie de gestion de la batterie et l'amélioration des normes d'inspection, les batteries lithium-ion joueront un rôle important à l'avenir.