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鋰電池安全不是說出來的是算出來的

發布時間：2016年08月15日 06:33 來源：鋰粉焙燒技術

今天我們帶大家了解一下安全模型的應用方法，并以18650電池的安全實驗數據為依據，推導鋰離子電池的安全模型。

　　鋰離子電池的熱失控和爆炸是鋰離子電池使用中最危險的情況，為了能準確的描述鋰離子電池的風險狀況，Wang等根據災難理論分析了鋰離子電池熱失控和爆炸風險發生的可能性，首先他們分析了鋰離子電池產熱過程

　　其中i和V為電池兩極輸出電壓和電流，Ereact為電池內部材料和SEI膜分解產生的總熱量，Vo為平衡電勢，T為絕對溫度，Eloss為通過熱傳導和熱輻射的散熱速率，右邊則表示電池總的加熱速率，其中C為比熱容，ρ質量密度，W為總體積，t為時間。根據該公式可以推導出如下公式

　　其中θ為無量綱溫度，Τ為無量綱時間，αn為考慮到不同的分解反應的活化能和產熱的參數。基于該公式可以對圓柱型鋰離子電池的熱失控過程進行描述，描述過程是基于三個變量U、V、W，而這幾個變量又是基于θ和αn兩個值。

　　由于電池的安全性與電池濫用是負相關的，因此有如下關系

　　可以將安全函數計算公式設為如下模式，其中g(x)為濫用函數，當g(x)趨向無窮大的時候，安全函數趨向0，表明電池極度不安全，而濫用函數g(x)為0的時候，電池完全沒有濫用，因此電池安全函數值為1，表明電池是完全安全的。

　　一般我們可以設安全函數閥值為0.8，當安全函數值小于0.8時，就可以判定電池處于危險狀態。該公式應用的關鍵是找到一個合適的濫用判斷函數，濫用函數要包含多種與電池狀態相關的變量，例如電池的使用溫度T，輸出電流I，電壓V，荷電狀態SOC，以及電池健康狀態SOH等參數。

　　鑒于高維函數難以推導，因此我們嘗試降低難度，以單一變量推導ƒsafe函數，可以用于判斷電池安全性的指標有多種，例如電流、電壓、溫度等，我們嘗試利用容量為1.1Ah的磷酸鐵鋰18650電池進行相關安全實驗推導ƒsafe函數。下面我們將以電流這個變量嘗試推導安全函數ƒ與電流之間的函數關系。

　　實驗中發現在20C的電流下，磷酸鐵鋰18650電池是完全安全的，但是當電流達到30C的時候，電池溫度開始升高，因此我們可以認為X<20C以下的時候，電池是完全安全的，因此安全函數ƒ值為1，30C以上時電池是不安全的，即電流為X=30C時，ƒ值為0.8。根據如下公式進行推導計算

　　經過相關計算得出d=20，m=0.0025，因此對于電流這個變量有如下安全函數

　　可以利用如上方法推導的單個變量的安全函數，當安全函數值小于0.8時電池就處于危險狀態了，根據該函數就可以對電池的安全狀態進行實時監控。電池對于多個變量的總體安全函數可以定義為如下形式，并根據實際情況確定一個ƒ值，以確保ƒ在該值以上電池是安全的

　　從上面推導過程可以注意到，該方法最重要的點是如何選擇一個ƒ=0.8的點，這需要根據具體電池系統對安全性要求的高低進行確定，例如對安全性要求較高的電動汽車領域就需要對ƒ=0.8點選擇更加嚴格，而手機電池就可以適當的放寬一些。

　　該方法將電池安全性指標概念性的描述轉變為一個函數，由此可以獲得一條電池安全性曲線，對電池安全性的評估也更加直觀，并對多個影響電池安全性的變量進行整體的跟蹤，即時確定電池的安全狀態，方便BMS系統對電池的管理。

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