动力电池热安全应对及其过热临界行为特征研究

随着电动汽车的动力性、快速充电和轻量紧凑节能化等需求,以及大容量高比能量动力电池的应用,动力电池过热安全技术保障越来越受到关注,成为当今热管理的前沿技术。在电池过热安全防控过程中,过热临界判别与诊断成为电池热安全管控的关键技术。为此,研究工作在构建热安全管控基本体系基础上,围绕动力电池的热温特征、产气特征等热行为现象,分析界定控制边界的判别阈值临界特点规律,为热安全管控体系的控制及电池过热安全防控等寻求更有力的诊断、更精准的预判和监控传感辨识,由此奠定未来全程热安全管控和过热防控技术进步的理论基础。在探究电池过热诊断预测分析方法中,主要根据电池过热时的温升和排气现象,进行电池热化学过程演变的分层分析,结合电池热安全管控判别需求,界定过热安全防控诊断临界,并结合热管理系统建立控制边界条件。其中,通过充分解析电池过热时副反应引起的热特征及产气特征变化,细分电池热过程过热可控临界区域为初期、中期和后期三个阶段,设计包括液流常规冷却、制冷剂直接低温冷却和应急喷射汽化冷却系统在内的热管理与热安全管控基本体系。在全程热管理时空范围内,构建全新的过热安全防控基本机制应对动力电池各阶段过热程度和安全防控,并以电池温度作为预判主体,兼顾电池异常产气诊断,提出了判别逐级热安全防控临界特征及其传感探测、测量辨识和参数识别的基本构架。在电池产热及其过热过程热温特征研究中,根据产热演变特点,重点分析过热时副反应种类及其热反应能力和温度范围,指出利用电池过热产热量划分的阶段性递增趋势特征。研究表明,电池过热初期SEI膜分解作为热安全管理体系第一阶段有效边界,可实现热安全温度控制。隔膜熔化后电池进入过热中期,热管理系统可在一定程度上抑制电池温升,但其对体系冷却能力要求超高。当电池具有第三阶段边界特征时,内部副反应产热骤增,需应急冷却措施避免热安全事故,由此达到提前的抑制。通常工况下,在过热防控管理过程中需在过热初期进行有效界定与识别,并结合配备的热管理系统能力,形成全时空的动态控制边界,预防电池过热加剧,同时可形成细分的逐级温度热控动态临界阈值点,以此构建热温变化特征的过热诊断判别依据。在电池过热异常产气特征研究中,通过解析电池产气机理,结合热温特征细分过热过程气体成分及其量化规律,指出利用电池过热产气量划分的阶段性递增趋势特征,实现控制临界的气构边界条件的界定。解析产气研究表明,电池过热将逐步明显产气,产气量和种类呈上升趋势,并且封闭电池体可出现一次明显排气和产气突增现象,即排气主要由于产气量达到安全阀限值而开启,后期的产气突升主要源于正极分解产物与电解液反应产生大量气体。根据明显的排气现象及产气递进的成分种类和浓度变化,细分电池过热进程。此外,研究工作进行了电池过热产气和温度的同步实验和传感测量,实验补充说明了电池过热过程中产气、排气、温升变化的基本规律。实验可知,电池过热时会产生大量CO_2等气体,电池安全阀开启后可探测到明显排气信号变化,将为辅助过热诊断,特别是热失控抑制和安全消防,实施应急冷却提供控制依据。研究工作不但为分析电池过热进程的共性规律提供手段和认知帮助,更为进一步寻求界定防范过热及其预防抑制热失控的增效热管理能力提供识别特征提取的理论依据。最后,通过算例补充说明电池过热阶段的主要细分,并为过热确定提供有效的简化计算方法,立足工程应用。研究细分了过热初期SEI膜分解、中期内部短路和后期正极与电解液反应等典型产热,量化分析其对电池温升的影响。建立常规产热叠加副反应产热量影响的分析机制,达到电池常规产热确定的过热延展,并得到已有研究的验证。算例中,还分析了不同充放电倍率条件下SEI膜分解的产热特性及其对电池温度影响,不同短路面积和充放电倍率时短路电池的局部温度及整体温度变化,以及正极与电解液反应产热引起电池温度变化情况。研究指出电池过热过程中副反应产热能力逐渐增强,依据常规产热计算辅助副反应的早期过热延展确定,有助于解析电池过热和设计确定热安全防控的增效冷却能力。