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Prueba de seguridad de la batería de litio

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Prueba de seguridad de la batería de litio

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En comparación con aplicaciones como ordenadores portátiles, teléfonos móviles y fines fijos como el almacenamiento de energía y la alimentación de reserva, el entorno de uso de las baterías de iones de litio para vehículos eléctricos es más complejo, variado y exigente. Por ejemplo, las baterías tienen que estar expuestas a un amplio rango de temperaturas para su funcionamiento, los paquetes de baterías tienen que soportar vibraciones prolongadas durante el funcionamiento del vehículo y requieren una alta velocidad de carga y descarga. Entre ellas, la alta velocidad de carga y descarga puede provocar un aumento de la generación de calor en el interior de la batería. Si el sistema de gestión térmica no puede calentar la batería a tiempo, las altas temperaturas pueden provocar diversas reacciones secundarias en el interior de la batería, como la descomposición de la película SEI, la reacción del electrolito y el electrodo negativo, la descomposición del electrolito, etc., y, en última instancia, provocar el desbordamiento térmico.

Una vez que la batería entra en la fase de embalamiento térmico, corre el riesgo de incendiarse y explotar en poco tiempo. Además, a diferencia de las baterías utilizadas en la electrónica de consumo, las baterías de los vehículos eléctricos tienen una menor tolerancia a los fallos. Tomando como ejemplo la batería 18650, la probabilidad de fallo espontáneo interno (también conocido como fallo de campo) puede controlarse entre 1 de cada 40 millones y 1 de cada 10 millones, lo que resulta relativamente fiable para los productos de electrónica de consumo. Sin embargo, cuando se utilizan en vehículos eléctricos, debido a que el número de celdas de la batería suele ser de cientos o incluso miles, incluso a una probabilidad tan baja de fallo espontáneo hay que prestarle suficiente atención.

En resumen, como uno de los componentes centrales de los vehículos eléctricos, mejorar la seguridad de las baterías de potencia es de suma importancia para el desarrollo de la industria de los vehículos eléctricos. Por lo tanto, es especialmente urgente llevar a cabo de forma efectiva pruebas y evaluaciones de seguridad de las baterías de potencia. Este artículo combina el sistema actual de normas y los resultados de investigaciones relacionadas para analizar y resumir los métodos actuales de evaluación de la seguridad de las baterías de potencia, con la esperanza de proporcionar una referencia útil y una guía para establecer métodos de prueba y evaluación cuantitativos más científicos.

1 Pruebas de seguridad de baterías eléctricas individuales

1.1 Norma de prueba

La posibilidad de que se produzcan incendios, explosiones, etc. en el uso correcto de baterías eléctricas con un alto nivel de control es extremadamente pequeña. Sólo cuando la batería sobrepasa el límite de estado en el uso real, como sobrecarga, cortocircuito o sobrecalentamiento, es posible que se produzca un desbordamiento térmico de la batería

Aunque el desbordamiento térmico de las baterías es una situación anormal, el estado de funcionamiento y el entorno de uso real de las baterías de los vehículos son complejos y variables, por lo que no se puede ignorar la investigación sobre el comportamiento de desbordamiento térmico de las baterías. Mediante el estudio del comportamiento térmico de las baterías, no sólo podemos entender las características del proceso de fuga térmica de la batería, detectar los peligros de seguridad en una etapa temprana del uso real, reducir los riesgos de seguridad, sino también tomar medidas eficaces para evitar que los accidentes se sigan expandiendo cuando la batería experimenta una fuga térmica, proporcionando un fuerte apoyo técnico para los esfuerzos de rescate

1.2 Pruebas de estabilidad térmica

La seguridad de las celdas de las baterías de potencia puede dividirse en seguridad intrínseca (estabilidad térmica) y seguridad desencadenante (que incluye el desbocamiento térmico causado por factores externos como sobrecarga, calentamiento, perforación, cortocircuito, etc.) en función de la cantidad de energía introducida o de los factores que influyen. Para lo primero, un calorímetro adiabático acelerado es un método de caracterización eficaz. Las curvas de temperatura y de tasa de cambio de temperatura durante la evolución de la estabilidad térmica de varios productos de baterías de iones de litio del mercado (siendo las muestras A, C y D baterías del sistema ternario de carbono y la muestra B baterías del sistema de carbono de fosfato de hierro y litio). Las características intrínsecas de embalamiento térmico de las baterías de energía incluyen principalmente seis etapas típicas, a saber, disminución de la capacidad, calor autogenerado, fusión de la membrana, cortocircuito interno, rápido aumento de la temperatura interna y reacción residual.

Además, para las baterías de iones de litio con diferentes sistemas de materiales, el tiempo de incubación necesario para el desbordamiento térmico de la batería de litio hierro fosfato (muestra B) es el más largo, y la temperatura del punto de inflexión para el desbordamiento térmico grave es la más alta (utilizando 10 ° min como criterio para el desbordamiento térmico grave)

En comparación con las baterías nuevas, el análisis de la estabilidad térmica de las baterías a lo largo de todo su ciclo de vida es igualmente importante. Comparación de las curvas de evolución de la estabilidad térmica de una determinada batería de iones de litio en diferentes tiempos de ciclo. De la situación general se desprende que existen diferencias significativas en los nodos de temperatura de las curvas de desestabilización térmica para distintos ciclos. A medida que aumenta el número de ciclos, la temperatura de descomposición de la película SEI disminuye gradualmente, y el tiempo de fuga térmica de la batería se adelanta, haciéndola cada vez más propensa a la fuga térmica. Esto requiere que el diseño y el uso de los sistemas de baterías de potencia tengan plenamente en cuenta la situación real de la batería en la última fase de su vida útil, para evitar riesgos de seguridad como el fallo de la batería tras un periodo de uso de la misma.

1.3 Prueba de embalamiento térmico

Como se ha mencionado anteriormente, la investigación sobre el método de activación del embalamiento térmico en las baterías eléctricas. Las baterías eléctricas se enfrentarán a diversos entornos y condiciones de trabajo durante su uso real, por lo que es necesario estudiar y verificar la seguridad de su disparo. En la actualidad, los métodos de disparo por fuga térmica más utilizados en la industria incluyen principalmente la sobrecarga, el calentamiento y la punción. Se comparan las características de tres métodos típicos de disparo por fuga térmica. Otros métodos de disparo que aún se encuentran en fase de exploración son los cortocircuitos internos, que se basan principalmente en la incrustación de metales de memoria, materiales de cambio de fase, etc. dentro de la batería para lograr el disparo controlable de cortocircuitos dentro de la batería. dentro de la batería para lograr el disparo controlable de cortocircuitos internos. La probabilidad de disparo, la repetibilidad y la libertad de posición de este método son relativamente altas, pero debido al hecho de que sólo puede ser modificado por la fábrica de baterías en la operación práctica, su implementación es difícil y limitada desde una perspectiva de aplicación.

Mediante la selección de más de diez productos típicos que se encuentran habitualmente en el mercado y la realización de investigaciones experimentales sobre los tres métodos de disparo típicos mencionados anteriormente, se descubrió que existen ciertas diferencias en la probabilidad de disparo por desbocamiento térmico de la muestra entre los tres métodos de disparo. Es decir, el método de calentamiento puede desencadenar la fuga térmica en todas las muestras, la acupuntura casi puede desencadenar la fuga térmica en todas las muestras y la sobrecarga sólo puede desencadenar la fuga térmica en el 46% de las muestras. La razón principal se debe a la estructura de las pilas cuadradas y cilíndricas. La sobrecarga puede activar mecanismos internos de protección para evitar el desbordamiento térmico.

1.4 Fuga térmica de las celdas de las baterías de potencia durante todo el ciclo de vida

A medida que aumenta el número de ciclos de la batería, pueden producirse fenómenos de deterioro como cambios en la película SEI, crecimiento de dendritas de litio y microporos en la membrana dentro de la batería, que pueden provocar una disminución de la seguridad de la batería. Por lo tanto, el estudio de las características de evolución de la seguridad de las baterías de potencia a lo largo de todo su ciclo de vida tiene una gran importancia orientativa para la aplicación segura y fiable de los productos. La ley de evolución de la seguridad contra cortocircuitos de una determinada batería de iones de litio con el número de ciclos muestra que, cuando el número de ciclos llega a 1000, la seguridad de la batería se deteriora bruscamente.

En general, mediante el análisis estadístico de la seguridad de un gran número de muestras sometidas a diferentes ciclos de punción, calentamiento y sobrecarga, se descubrió que la evolución de la seguridad de algunas baterías eléctricas de iones de litio muestra un patrón claro, es decir, la seguridad se deteriora repentinamente tras alcanzar un determinado estado de envejecimiento. Al mismo tiempo, un pequeño número de muestras muestran especificidad, y su seguridad no se deteriora significativamente con el aumento de los tiempos de ciclo. Por lo tanto, es necesario realizar evaluaciones para objetos específicos con sistemas de materiales y diseños estructurales concretos, a fin de proporcionar la orientación necesaria para el diseño de sistemas de gestión de baterías y medidas de protección de la seguridad a lo largo de todo el ciclo de vida.

2 Pruebas de seguridad del sistema de baterías de potencia

2.1 Norma de ensayo

El objetivo de las pruebas de seguridad es verificar la seguridad del sistema de baterías eléctricas en casos de abuso y, lo que es más importante, verificar la capacidad del sistema de baterías eléctricas para proteger a los pasajeros en situaciones peligrosas. Esto incluye principalmente la simulación mecánica y ambiental de diferentes condiciones, y para verificar la fiabilidad del sistema de batería en la vibración, la simulación mecánica de colisiones, caídas, apretones, y otras situaciones

Las pruebas de seguridad ambiental son el proceso de simulación de diferentes condiciones ambientales para verificar la seguridad de los sistemas de baterías en entornos como alta temperatura, baja temperatura, alta humedad, cambios bruscos de temperatura, niebla salina, fuego e inmersión en agua.

La fiabilidad de la protección consiste en verificar la función de protección del sistema de baterías simulando posibles situaciones inesperadas que pueden producirse durante el uso del vehículo, incluida la protección contra sobrecarga, protección contra sobredescarga, protección contra sobretemperatura, protección contra sobrecorriente, protección contra cortocircuito y otros aspectos. En las pruebas de fiabilidad de la protección, el sistema de gestión de la batería o el dispositivo de protección es la única condición cualificada para que funcione. Los fabricantes pueden clasificarse en diferentes niveles en cuanto a las condiciones de protección. Tomando como ejemplo la sobrecarga, se pueden especificar distintos niveles de umbrales de tensión que corresponden a distintas acciones: avisos, alarmas, relés de desconexión, etc

2.2 Prueba de difusión térmica

Para las pruebas de seguridad del sistema de baterías, un aspecto más importante es la prueba de difusión térmica. Su principio fundamental es garantizar la salida segura de los conductores y pasajeros del vehículo, y verificar cómo garantizar la seguridad personal de los pasajeros del vehículo cuando el sistema de baterías experimenta una fuga térmica.

El enfoque de la investigación sobre la seguridad de difusión térmica de los sistemas de baterías de potencia incluye principalmente la selección de métodos de activación de embalamiento térmico para objetos de activación de embalamiento térmico (incluida la equivalencia de diferentes métodos de activación y la comparabilidad de los resultados de las pruebas para diferentes objetos que utilizan el mismo método de activación) y la determinación de las condiciones de juicio. Al mismo tiempo, centrarse en las características y los mecanismos de propagación del comportamiento de difusión térmica en los sistemas de baterías de potencia, con el fin de proporcionar datos experimentales y apoyo técnico para el diseño de seguridad de los sistemas de baterías de potencia.

A nivel de aplicación en vehículos, también es necesario examinar las condiciones de seguridad y juicio en condiciones de funcionamiento del vehículo. Si el análisis de la fuga térmica y la difusión térmica se produce cuando la batería está instalada en un autobús, los resultados experimentales muestran que después de unos 5 minutos de fuga térmica, el fuego comienza a propagarse y entrar en el coche. Al mismo tiempo, con el fin de determinar el tiempo de escape del escape térmico repentino de la batería cuando está completamente cargada, se seleccionó personal de diferentes grupos de edad como sujetos de prueba para las pruebas de escape del personal, siendo la duración más larga de 51 segundos. Basándose en el tiempo que tarda el vehículo en detectar una alarma y detenerse de emergencia, junto con un cierto tiempo de umbral de seguridad, se ha determinado un tiempo de escape preliminar de 5 minutos para el personal, que sirve como requisito mínimo para la evacuación de todo el vehículo.

3 Conclusiones

Este artículo resume y analiza el actual sistema estándar de pruebas y métodos de evaluación para la seguridad de las baterías de potencia. A nivel de celdas de batería, se analizaron principalmente los métodos de caracterización de la estabilidad térmica y el estado actual y las tendencias del sistema estándar de pruebas y evaluación de la seguridad de disparo. En cuanto a los sistemas, el debate se centró en el sistema estándar de pruebas de seguridad de los sistemas de baterías y el método de evaluación de las pruebas de difusión térmica.

Con la promoción y aplicación de los vehículos de nueva energía y el aumento del número de vehículos, muchos vehículos han estado circulando durante varios años o decenas de miles de kilómetros, y se han producido algunos accidentes de seguridad de vehículos eléctricos en los últimos tiempos. Dominar la ley de evolución de la seguridad de las baterías eléctricas a lo largo de todo su ciclo de vida, así como detectar y gestionar eficazmente la seguridad de las baterías a lo largo de todo su ciclo de vida, es de gran importancia para la utilización en cascada de las baterías de seguridad de los vehículos eléctricos. En concreto, el establecimiento de un sistema de pruebas y evaluación de las baterías de potencia que abarque desde el individuo hasta el sistema, cubriendo todo el ciclo de vida, y considerando además las condiciones reales de aplicación del vehículo, con el fin de formar un sistema integral de pruebas y evaluación de la seguridad de las baterías de potencia, será beneficioso para mejorar el nivel de seguridad de la industria de las baterías de potencia.