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锂电池安全不是说出来的 是算出来的

锂离子电池的热失控和爆炸是锂离子电池使用中最危险的情况,为了能准确的描述锂离子电池的风险状况,Wang等根据灾难理论分析了锂离子电池热失控和爆炸风险发生的可能性,首先他们分析了锂离子电池产热过程

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其中iV为电池两极输出电压和电流,Ereact为电池内部材料和SEI膜分解产生的总热量,Vo为平衡电势,T为绝对温度,Eloss为通过热传导和热辐射的散热速率,右边则表示电池总的加热速率,其中C为?#28909;热藎?#36136;量密度,W为总体积,t为时间。根据该公式可以推导出如下公式

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其中θ为无量纲温度,Τ为无量纲时间,αn为考虑到不同的分解反应的活化能和产热的参数。基于该公式可以对圆柱型锂离子电池的热失控过程进行描述,描述过程是基于三个变量UVW,而这几个变量又是基于θ和αn两个值。

由于电池的安全性与电池滥用是?#21512;?#20851;的,因此有如下关系

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可以将安全函数计算公式设为如下模式,其中g(x)为滥用函数,当g(x)趋向无穷大的时候,安全函数趋向0,表明电池极度不安全,而滥用函数g(x)0的时候,电池完全没有滥用,因此电池安全函数值为1,表明电池是完全安全的。

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?#35805;?#25105;们可以设安全函数阀值为0.8,当安全函数值小于0.8时,就可以判定电池处于危险状态。该公式应用的关键是?#19994;?#19968;个合适的滥用判断函数,滥用函数要包含多种与电池状态相关的变量,例如电池的使用温度T,输出电流I,电压V,荷电状态SOC,以及电池健康状态SOH等参数。

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鉴于高维函数难以推导,因此我们尝试降低难度,以单一变?#23458;?#23548;?safe函数,可以用于判断电池安全性的指标有多种,例如电流、电压、温度等,我们尝试利用容量为1.1Ah的磷酸铁锂18650电池进行相关安全实验推导?safe函数。下面我们将以电流这个变量尝试推导安全函数?与电流之间的函数关系。

实验中发现在20C的电流下,磷酸铁锂18650电池是完全安全的,但是当电流达到30C的时候,电池温度开始升高,因此我们可以认为X<20C以下的时候,电池是完全安全的,因此安全函数?值为130C以上时电池是不安全的,即电流为X=30C时,?值为0.8。根据如下公式进行推?#25216;?#31639;

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经过相关计算得出d=20m=0.0025,因此对于电流这个变量有如下安全函数

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可以利用如上方法推导的单个变量的安全函数,当安全函数值小于0.8时电池就处于危险状态了,根据该函数就可以对电池的安全状态进行实时监控。电池对于多个变量的总体安全函数可以定义为如下形式,并根据?#23548;是?#20917;确定一个?值,以确保?在该值以上电池是安全的

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?#30001;?#38754;推导过程可以注意到,该方法最重要的点是如何选择一个?=0.8的点,这需要根据具体电池?#20302;?#23545;安全性要求的高低进行确定,例如对安全性要求较高的电动汽车领域就需要对?=0.8点选择更加严格,而手机电池就可以适当的放宽一些。

该方法将电池安全?#28798;?#26631;概念性的描述转变为一个函数,由此可以获得一条电池安全性曲线,对电池安全性的评估也更加直观,并对多个影响电池安全性的变量进行整体的跟踪,即时确定电池的安全状态,方便BMS?#20302;?#23545;电池的管理。


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