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原文传递锂电池热失控与引燃特性研究

论文题名：	锂电池热失控与引燃特性研究
关键词：	电动汽车;锂电池;热失控;引燃特性;风险控制
摘要：	随着我国经济社会的发展，能源短缺与环境污染已经成为了我们必须重视的两大问题。其中汽车因为存在大量的能量消耗与尾气排放，是需要关注的重点领域。世界上的主要国家都将重点放在了新能源汽车产业上，近些年由于我国的大力发展，我们的新能源汽车行业也走在了世界前列。随着电动汽车的普及与推广，电动汽车发生事故的新闻也经常出现，这无疑极大的影响了消费者对于电动汽车的信心，本研究针对车用的动力锂离子电池，通过COMSOL软件进行研究计算，对锂电池的热失控行为与引燃汽车常用的PVC材料的燃烧特性进行了分析，随后针对锂电池的热失控行为提出了风险控制的措施与建议。　　本文完成主要的研究如下：　　（1）首先介绍了锂离子电池的组件构成以及正常工作状态下的工作原理，然后对于锂电池内部产生热量的机理和与外界的热交换过程进行了分析。总结了造成锂电池出现热失控现象的触发因素与不同因素所造成的热失控流程的不同，最后介绍了锂电池内部副反应生成热量的计算方法和气体的生成，在理论层面为后续锂电池穿刺的建模提供了清晰的理论。　　（2）通过建立18650锂离子电池在穿刺工况下的热失控模型，研究刺针直径、刺入深度、穿刺位置以及电池自身荷电量对电池热失控行为的影响。刺针直径对于电池的温度发展趋势并没有十分明显的影响，而是对电池所能达到的峰值温度有比较明显的影响，两者大致呈现负相关的态势，当刺针的直径越大时，电池所能达到的峰值温度越低；刺入深度对电池的热失控发展过程有十分明显的影响，当刺入深度较浅时，电池的温度只会稍微升高，并不会出现热失控现象，而当刺入的深度超过一定限度时，电池很快便会发生不可逆的热失控；穿刺位置对于电池的热失控发展趋势同样没有十分明显的影响，但是当穿刺的位置越靠下时，电池所能达到的峰值温度越高；最后电池的荷电状态对于热失控行为有十分明显的影响，电池荷电状态越高，其内部储存的能量就越多，热失控过程就越剧烈。　　（3）通过穿刺电池引燃PVC材料的热失控模型，研究不同引燃方式、不同位置电池被穿刺、间隔距离对整体热失控行为的影响。电池组内部的传导作用使得其引燃速度要小于固定功率的点火源，电池热失控释放的能量使得其峰值热释放速率要远大于固定点火源的峰值热释放速率；当电池组内热失控的电池位置距离PVC材料越近时，其引燃PVC材料的速度越快且影响其峰值热释放速率，热失控出现的位置越中间其峰值热释放速率越大；电池组与PVC材料之间的距离在一定范围内有促进引燃作用，但当超过一定距离时，电池组并不能引燃PVC材料。　　（4）通过电池的针刺影响因素构建电池的极端滥用针刺模型，对在电池外部设置热管理系统的情况进行了模拟，采用石蜡与石墨烯复合相变材料作为介质，发现热管理系统可以有效降低电池发生热失控状态下的温度，其峰值温度从768.32℃降至437.12℃。同时对电动汽车的电池管理系统进行了设计，提出通过对电池的电流、电压、温度以及荷电量等进行实时监测，通过各项数据的情况来判断电池是否发生故障，根据电池管理的程序运行步骤，实现了对于故障的分级报警。从电池的被动安全设计、主动安全设计和本征安全设计三个方面提出了提高电池安全性的措施，可以从根源上抑制电池热失控的发生。
作者：	亓振锋
专业：	动力工程
导师：	刘万福
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津商业大学
学位年度：	2022