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车用锂离子动力电池热失控诱发与扩展机理、建模与防控

冯旭宁  
【摘要】:锂离子动力电池作为当前新能源汽车的核心部件,其安全性问题受到广泛关注,尤其是热失控这一核心安全问题急需解决。新能源汽车行业需要有效的热失控防控方案;而制定相关行业标准需要有效的测试和模拟手段。本课题即面向新能源汽车行业与政府制定相关行业标准的双重需求,在车用锂离子动力电池系统热失控诱发与扩展机理、建模与防控研究方面开展了大量的工作。基于事故调查以及文献综述,指出热失控事故主要分为“热失控诱因”、“热失控发生”、“热失控扩展”三个阶段,为保证动力电池系统的安全性,必须对以上三个阶段进行逐级防控。在热失控发生机理研究方面,针对大容量动力电池绝热热失控特性的测试难题,基于大型加速绝热量热仪的工作原理,提出了一种仪器校准方案,保证了绝热测试环境,获得了大容量动力电池的绝热热失控测试结果。进一步地,设计了“突然停止”的绝热热失控实验,冷冻了锂离子动力电池在绝热热失控测试过程中的状态,对冷却后的电池进行寿命衰减机理分析,揭示了锂离子动力电池绝热热失控测试过程中的热电耦合机制,并建立了锂离子动力电池绝热热失控的热电耦合模型。基于所建立的动力电池绝热热失控模型,提出了一种基于模型的热失控安全等级划分方法,可用于热失控的监控与预警。在热失控扩展研究方面,针对大容量动力电池内部温度分布不均匀,热失控扩展实验结果可重复性差的问题,基于动力电池内部温度场测试与重构技术,设计并完成了针刺诱发的大容量动力电池串联模块的热失控扩展实验,获得了热失控扩展的可重复测试结果,揭示了串联电池模块的热失控扩展动力学机制,建立了热失控扩展的集总参数热阻模型以及3D热失控扩展模型。基于模型仿真结果,提出了4种抑制热失控扩展的方法,并进行了实验验证。在热失控诱因方面,针对内短路这一热失控诱因的共性环节,提出了一种内短路替代实验方案,建立了内短路的3D电化学-产热模型。基于“平均+差异”假设的电池系统故障诊断方法,开发了基于模型的内短路检测算法,经模块内短路替代实验测试,所开发的内短路检测算法可以提前将可能造成严重热失控的内短路故障检测出来。研究成果为宝马汽车集团、宁德时代新能源科技有限公司提供了技术指导,为制定国内外电动汽车安全技术标准提供了技术支撑。


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