基于液冷的锂离子电池组热均衡性研究

为了改善车用锂电池模组在高温高倍率工况下的热均衡性,根据圆柱形锂电池的传热特性,建立了18650锂电池单体的三维热模型,并完成40 °C环境自然对流下的热特性仿真,并通过温升试验验证了生热模型的可靠性. 在此基础之上,针对某型纯电动汽车的动力电池组,提出了一种夹套式电池模组冷却系统,利用Fluent研究了40 °C环境下冷却液流量、冷却液温度和放电倍率对电池组散热均衡性的影响. 结果表明:增加冷却液流量可以有效降低电池组最高温度、最大温差及电池自身温差,改善电池间的温度均匀性;但当入口流量增至0.03 kg/s后,对电池组散热性能的改善效果十分有限;降低冷却液温度后,电池组最高温度下降,但电池组最大温差与单体电池间温差不断上升,单体电池自身最大温差略有降低;当放电倍率增大时,电池组最高温度与最大温差均不断上升,单体电池间温差以及电池自身温差显著增大,电池组热均衡性变差.      

锂离子电池的热失控模拟

通过锂离子电池的热模拟研究,对比了不同环境温度时,锂离子电池的温度变化和热失控状态. 进一步模拟了绝热条件下,锂电池的热失控状态.     

氢氧化铝/无机填料协同阻燃乙丙橡胶的性能研究

笔者在三元乙丙橡胶(EPDM)基体中通过熔融共混法添加氢氧化铝/膨胀石墨(ATH/EG)、氢氧化铝/有机蒙脱土(ATH/OMMT)、氢氧化铝/硼酸锌(ATH/ZB)3种复合阻燃剂,制得三元乙丙橡胶/氢氧化铝/膨胀石墨(EPDM/ATH/EG)、三元乙丙橡胶/氢氧化铝/有机蒙脱土(EPDM/ATH/OMMT)、三元乙丙橡胶/氢氧化铝/硼酸锌(EPDM/ATH/ZB)3种复合橡胶.采用热重分析、极限氧指数和锥形量热等手段,研究了3种无机阻燃剂EG、OMMT及ZB与ATH对EPDM的协同阻燃效果.结果表明,3种协同阻燃剂都能增加复合橡胶的初始分解温度,增加残炭量,降低燃烧峰值,提高极限氧指数.说明3种无机阻燃剂都对EPDM/ATH具有一定的阻燃效果.其中,EPDM/ATH/EG复合橡胶的初始分解温度(443.7℃)和残炭量(40.3%)最高,EPDM/ATH/OMMT复合橡胶的总热释放量(62.3 MJ·m^-2)和燃烧峰值(232.9 kW·m^-2)最低,极限氧指数(34.5%)最高.综合比较发现,OMMT协同ATH阻燃EPDM最为理想.     

新型阻燃三元乙丙橡胶的制备及其阻燃性能研究

采用微胶囊化聚磷酸铵与季戊四醇复配(APP∶PER=3∶1)填充三元乙丙橡胶(EPDM),制备新型阻燃EPDM材料,考察膨胀型阻燃剂(IFR)的填充量对EPDM材料的燃烧性能和热学性能的影响。结果表明,APP和PER复配使用,可协同提高EPDM的阻燃性能。当IFR填充量为40%时,材料的极限氧指数(LOI)可达到31%,UL94垂直燃烧等级达到V0级;最大热释放速率下降81.2%,总释放热降低30.4%;同时EPDM材料高温区热稳定性明显提高,且材料燃烧后可形成膨胀炭层,700℃下残渣量从0.9%提高至17.0%。     

NCM三元锂动力电池热失控研究

为了提高锂离子动力电池使用安全性,减少因电池热失控引发的电动汽车安全事故。以电动汽车用NCM三元锂电池为研究对象,利用COMSOL软件建立了三维热滥用模型,仿真分析锂离子电池的热失控行为。结果表明:炉温175℃,在5600s时出现热失控。炉温为165℃,在7200s时出现热失控;炉温为160℃时未出现热失控。自然对流换热的情况下,电池在10250s时出现热失控,散热条件良好时未发生热失控。当正极材料和电解液的分解温度在170℃和200℃时,电池发生热失控。     

用于锂离子电池热安全保护的正温度系数材料

研制了一种新型的正温度系数(PTC)材料取代锂离子电池用导电剂,利用其高温下的金属-绝缘体相变导致的电导率变化对锂离子电池进行高温保护.通过对比,研究了高温下常规锂离子电池和加入PTC材料的锂离子电池的抗高温性能以及PTC材料在电池中的电阻温度变化效应.结果表明,温度高于80 ℃时该PTC材料在电池中的PTC效应非常显著,有效地改善了锂离子电池的热安全性.     

锂离子电池热失控特性及电池火抑制过程

为了研究大容量锂离子电池不同种类的热失控特性以及水喷雾对电池火的抑制效果,选用75 A·h锂离子动力电池为研究对象,通过底部电热炉加热诱导电池发生失控反应,并使用水喷雾研究其对电池火焰的抑制过程.结果 表明:在底部功率2 kW且温度为500℃下,锂离子电池平均经过4800s加热后发生热失控现象,热失控共分为五个阶段:受热膨胀、大量烟气释放、形成喷射火、稳定燃烧、自然熄灭.电池表面热失控触发温度为144℃,热失控过程中表面和内部温度最高可达536.8℃和910.1℃,并出现了电压回升现象;水喷雾无法阻止内部反应的进行,可能出现喷射火或复燃现象,在水喷雾的持续作用下能够有效熄灭锂离子电池火焰.研究结果可为锂离子动力电池检测系统和灭火规范提供数据支撑.     

热处理对锂离子电池热安全特性的影响

为了研究锂离子电池在遭受不同温度的外部刺激后其行为的差异性,实验对同一荷电状态的锂离子电池进行了不同温度的热处理,并考察了其被热处理后的热失控行为。研究通过分析锂离子电池热失控时间、热失控温度以及热失控时的电压变化,考察了不同热处理温度对同一荷电状态下的锂离子电池热失控特性的影响。研究表明,不同热处理温度对同一荷电状态下的锂离子电池的热失控最高温度及热失控时的电压变化有明显影响。热处理至80℃的锂离子电池热失控时的最高温度高于热处理至60℃及100℃时的锂离子电池。100℃热处理过的锂离子电池热失控时电压最先下降,80℃及60℃热处理过的锂离子紧随其后。实验结果可为高温环境中锂离子电池的安全应用提供理论参考。     

基于热分析的阻燃沥青阻燃机理

为了研究阻燃沥青的阻燃机理,采用综合热分析法,对基质沥青、单体阻燃剂、复合阻燃剂及其制备的阻燃沥青和温拌阻燃沥青进行了测试。试验所用的3种单体阻燃剂分别为十溴二苯乙烷(DBDPE)、三氧化二锑(Sb_2O_3)、氢氧化铝(ATH),复合阻燃剂为自制的DBDPE-Sb_2O_3型和DBDPE-Sb_2O_3-ATH型2种阻燃剂,阻燃沥青是采用高速剪切机搅拌各类阻燃剂和基质沥青制备得到,温拌阻燃沥青是在复合阻燃沥青中掺入Sasobit温拌剂制成。通过对比分析各类材料试样的热重(TG)、微商热重(DTG)、差热(DTA)等热分析曲线,提出在沥青中掺入阻燃剂和温拌剂的阻燃机理。研究结果表明:DBDPE以气相阻燃机理为主,兼具凝聚相阻燃作用,主要是通过燃烧产生的溴化氢(HBr)气体消耗沥青反应热解的自由基,从而抑制沥青的燃烧过程;Sb_2O_3在600℃左右升华吸热并分解形成蒸汽,形成毯子效应,发挥一定的气相阻燃作用,因此与DBDPE具有良好的协效阻燃效果,卤-锑复合阻燃沥青的放热曲线斜率较基质沥青有显著降低;ATH主要为吸热阻燃机理,燃烧生成的Al_2O_3具有一定的凝聚相阻燃效果与抑烟作用,阻燃效果在低掺量(掺量小于8%,质量分数,下同)条件下并不明显,但可有效扩大DBDPE-Sb_2O_3复合体系的阻燃温度范围和促进沥青的成炭反应,因此DBDPE-Sb_2O_3-ATH复合阻燃沥青的初始分解温度虽与基质沥青相当,但终止分解温度提高了约100℃,并具有16.5%的残炭率,阻燃效果良好;Sasobit温拌剂掺入后会抑制沥青的成炭反应,对DBDPE-Sb_2O_3-ATH复合阻燃剂的阻燃效果有不利影响。     

锂离子电池热失控多米诺效应实证研究*

针对锂离子电池热失控多米诺效应模型未进行实验验证导致可信度低问题,设计搭建了锂离子电池热失控实验舱。围绕锂离子电池热失控多米诺效应模拟存在的三个突出问题,设计实验方案开展实验验证研究。通过实验数据与模拟对比分析,证实一节锂离子电池热失控可以触发多米诺效应使全部锂电池发生热失控;针对模拟存在燃爆时间点比实验提前35.7%、层级燃爆时间间隔比实验增长30.97%,燃烧持续时间比实验减少31.82%的缺陷,提出在模拟中增加外部网格的改进意见;通过实证研究改进后的锂电池热失控多米诺效应模拟模型可用于工程实际。     

低压下锂离子电池热失控火焰特性研究

针对锂离子电池航空运输需求不断增大,而低压环境下锂离子电池热失控火焰特性研究甚少的现状,设计了60kPa、80kPa、100kPa三种压力下的锂离子电池热失控实验。在常压和低压环境下,对电加热触发的锂离子电池燃烧火焰特性进行了实验研究。实验结果表明,锂离子电池热失控的燃烧的火焰高度与普通池火不同,锂离子电池燃烧的火焰高度会随着时间而降低。随着压力的降低,锂离子电池热失控的火焰高度和燃烧时长都呈现出降低的趋势。 本文研究可为低压下锂离子电池热失控火行为的研究提供指引和支撑。     

振动环境对锂离子电池热失控危险性的影响

基于民航运输锂离子电池过程中所引发的热失控安全问题,以及运输环境存在颠簸。利用自主搭建的实验平台,以21700型单体锂离子电池为研究对象,通过分析锂离子电池在振动环境中开路电压（Open Circuit Voltage,OCV）与内阻变化以及热失控过程中火焰温度与质量损失的变化情况,研究振动环境对锂离子电池性能及热失控危险性的影响。实验结果表明：在振动条件下锂离子电池的OCV基本保持稳定,而内阻值会增加16.7%;相对于空白实验,经过振动处理后锂离子电池发生热失控危险性减弱。直观表现在火焰温度峰值降低9.69%,质量损失减少13.54%;同时利用电压容量微分曲线（dV/dQ）深入分析振动条件对锂离子电池的影响机理。本研究可为提高锂离子电池性能一致性提供理论参考。     

湿热环境下NCM三元锂离子电池热失控分析

从高温热滥用角度出发,对高湿高温环境中三元锂离子电池的热失控行为进行实验和模拟的对比分析.选择荷电量(SOC)为50%的镍钴锰三元锂离子动力电池(NCM523)作为研究对象,利用恒定功率1kW 的电热炉作为外加热源,加热660s后撤掉外热源,进行湿热环境下NCM三元锂离子电池热滥用实验,并利用COMSOL多物理场仿真软件进行数值模拟.结果表明:常湿条件下,环境初始温度的提高,造成热失控发生的时刻显著提前.对于SOC为50%的NCM三元锂离子电池,在相对湿度为50%的条件下,当环境初始温度由20℃增加到40℃时,电池达到热失控的时间提前了20.2%;在室温为30℃条件下,当环境湿度由50%增加到100%时,热失控导致的最高温度增加了37.2%.高温高湿环境将造成NCM三元锂离子电池热失控的危险性显著增加.     

基于CFD的锂离子电池热失控多米诺效应研究

为研究空运包装内锂离子电池单元热失控传递的控制方法,首次提出锂离子电池热失控传递的多米诺效应理论模型.依据实际包装情况建立了包装盒内9个18650型锂离子电池的有限元模型,利用基于计算流体动力学的仿真软件Fluent对锂离子电池的热失控传递过程进行数值模拟;结合模拟结果定量分析锂离子电池热失控传递中的多米诺效应及电池单元热失控对临近电池温升的影响,以及通过控制电池放热和使用阻燃隔板来延缓包装内电池热失控传递的可行性.模拟结果不仅验证了构建的理论模型与数值模拟结果的一致性,并且显示基于理论模型参数提出的两种控制方法对延缓电池的热失控传递都具有显著效果.不仅可为控制空运锂离子电池热失控提供理论依据,还可对锂离子电池空运包装标准的制定提供技术参考.     

基于红外热成像技术的锂离子电池热特性试验研究

为了深入研究锂离子电池在工作状态下的热特性,通过试验与理论分析手段,结合红外成像技术与非接触式可视化观测方法,研究了锂离子电池单体在不同放电倍率下的表面温度分布特征及不同荷电状态(State of charge,SOC)下的温度均衡性和不同测量点的温升特性。结果表明:锂离子电池极耳附近区域为主要的产热源,且放电倍率越高,产热量越大;电池温度上升越快,最高温度越高,电池温度均衡性越差; 1C放电时,电池表面的温度梯度以多个类半圆形温区呈现;并以正极区为圆心向整个电池扩展; 2C放电时,初期形成的两个半圆形温区重合为一个以圆弧为下边的类矩形温区,直至扩展到电池下边缘;不同放电倍率下,电池温升速率均呈现先减小后增大的趋势。根据以上分析及研究成果,可以合理改进电池单体结构,设计电池组或电池包散热方案,提高锂离子电池在工作过程中的高效性和安全性。     

基于相变材料的锂电池保温数值模拟

为保证锂电池在低温环境下的高效运行，利用ANSYS软件建立了锂电池相变材料三维热管理模型，用数值模拟的方法研究了基于相变材料的锂电池在低温环境下的保温性能以及静置后在放电过程中温度的变化。研究结果表明：在环境温度为-10℃、锂电池初始温度为25℃的情况下，包裹相变材料的锂电池温度维持在0℃以上的时间与没有任何保温处理的锂电池相比提高了130%，且保温时间随相变材料导热系数的降低而延长；在相同的包裹厚度（10 mm）下，包裹8 mm相变材料外加2 mm保温材料的锂电池的保温时间比只包裹10 mm相变材料的锂电池提高了20%。包裹相变材料的锂电池在-10℃的低温环境下放置一定的时长后仍能在适宜的工作温度下放电，但当放置时间过长导致锂电池的初始温度降至与环境温度一致后，包裹的相变材料反而会阻碍锂电池的启动。     

微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验

锂离子电池在大功率应用下的热控制和热管理已成为制约电动汽车商业化的瓶颈,为解决此问题,运用微热管阵列设计锂电池模块散热系统,在开放条件下对电池模块进行恒流18 A(1 C)和36 A(2 C)充放电测试,通过测量布置微热管阵列前后电池表面温度可知:在1C和2C充放电倍率下,散热系统能够有效的降低电池模块的温度及电池间温度差异,将温度和温度差值分别控制在40℃与5℃之内,可以解决温度对电池寿命和容量的影响问题.基于实验数据,对其中一2 C工况热量进行了计算,得到通过微热管阵列的对流散热量达到模块生热量的40％.     

一种无卤阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物的热分解动力学研究

通过极限氧指数法(LOI)和垂直燃烧(UL-94)测试考察了一种无卤阻燃乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)的阻燃性能;利用热重分析法(TG)研究了纯EVA及阻燃EVA在不同升温速率下的热稳定性及热分解动力学,并采用Kissinger及Flynn-Wall-Ozawa方法计算了纯EVA和阻燃EVA的热分解表观活化能。结果表明,添加40%复合膨胀阻燃剂的EVA复合材料,极限氧指数达到28.6%,UL-94测试达到V-0级,残炭量相对纯EVA明显提高;随着升温速率增大,EVA和阻燃EVA的起始失重温度和各阶段的失重峰温均向高温方向移动;二者在第一阶段的热分解活化能均低于第二阶段,阻燃剂的添加使EVA的最大失重速率明显降低,热分解表观活化能提高,增强了材料的热稳定性和阻燃性。