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轻型电动车电池热失控扩散评估(一):圆柱电芯壳体结构及热失控介绍

发布时间:2022-07-06

轻型电动车包含电动自行车、电动滑板车、电动平衡车、电动摩托车、高尔夫球车、割草机等产品。如下图1所示为典型的轻型电动车产品。目前市面上轻型电动车产品采用的电芯类型以圆柱电芯为主,其中18650型号应用最多,21700型号次之。

 

                                 电动自行车

                                 电动踏板车

                                 电动摩托车

                         电动高尔夫球车

                                 电动全地形车

                       电动工业物料搬运设备

                         电动乘坐地板护理机

                            电动乘坐割草机

                            电动个人移动设备

表1:轻型电动车类型



在了解热失控扩散评估前我们需要先了解:圆柱电芯壳体结构热失控

 

圆柱电芯的典型壳体结构

 

如下图2所示,圆柱电芯壳体主要由钢壳和盖帽两大部分组成。


 

图2:圆柱电芯典型壳体结构

 

钢壳由冷轧碳钢薄板及钢带(SPCC)通过冲压等工艺制作而成,包含了负极防爆型和非防爆型两大类,其特点是轻薄、强度高、导电。

 

盖帽的结构比较复杂,如下图3所示,典型结构从上至下依次为SPCC材质顶盖、镀镍铝(主要原材为1060型铝板)垫片、铝制CID&泄压阀、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)绝缘垫圈、铝制CID&孔板和聚丙烯(PP)密封圈。盖帽结构复杂多变,在典型的结构基础上可根据产品性能、安全要求及应用场景做相应的调整。

 

 图3:圆柱电芯帽盖

 

热失控

 

针对电池热失控,可以聚焦到两个点:一个是“热”,包含焦耳热、化学热和燃烧热,研究表明燃烧热是热失控总产热中占比最大的一部份。另一个是“气”,热失控加速时,通常会以可见的烟气形式溢出电池,烟气内包含CO、CO、HCH、CH、OCH、CH、CH、粉体材料等。

 

电池在滥用的情况下(如图4所示,机械滥用、电滥用、热滥用),诱发电池内部产热,进一步会在电池体系内形成一个“能量正反馈循环”效应,不断积累热量,当电池内部的产热速率大于散热速率,则电池体系内的温度就会不断上升,进一步加速“能量正反馈循环”效用,一旦热量累积到临界极限,电池就会起火燃烧。

 

同样,在热量的诱导下,电池体系内会发生剧烈的化学反应,产热的同时会产生大量可燃性气体和助燃因子,当电池内部的气体生成速率大于气体排出速率,电池内压累积到临界极限,就会引起电池爆炸。

 

目前典型的轻型电动车电池包由多颗圆柱电芯通过串并方式(如10S4P)外加其它部件(BMS、支架、采集板等)组成。假如轻型电动车电池包中一颗或多颗电芯在某种滥用情况下发生热失控,引发热扩散(或称热蔓延),如图4所示,热失控产生的可燃烟气、高温固体等高速向周边扩散,轻则导致其它电芯热失控的连锁反应,烧毁整辆轻型电动车,重则引发火灾蔓延,爆炸伤人、烟气使人中毒等重大安全事故。


图4锂离子动力电池热失控及热失控扩散


随着锂离子电池在交通出行的应用场景不断扩张与发展,轻型电动自行车锂电化的进程也在迅速推进。但伴随以锂离子电池为动力来源的轻型电动自行车销量不断增加,由锂电池引发的电动自行车安全事故次数也呈现猛增态势,造成的安全事故屡有报导,且往往伴随严重的消费者生命财产安全损失,故对轻型电动车电池进行热失控安全评估,对于推动轻型电动车行业及相关行业和产业的发展均有重要意义。


那么,如何评价轻型电动车电池热失控安全?我们可以从其核心的电芯出发,评估考量电芯的热失控特征,如通过热滥用的方法诱发电芯热失控来模拟电芯在使用过程发生热失控的情况,具体将在下一期《轻型电动车电池热失控扩散评估(二):圆柱电芯热失测试方法和典型测试数据分析》中进行介绍。


参考文献:

[1]Liu Xuan, Stoliarov S I, Denlinger M, et al. Comprehensive calorimetry of the thermally-induced failure of a lithium ion battery [J]. Journal of Power Sources, 2015, 280:516-525.

[2]冯旭宁. 车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控[D].清华大学,2016.