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研究表明:过充和过放是电池组热失控、爆炸、自燃的最大杀手

2019-05-09    来源:中国节能网
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[ 导读 ]:蓄电池都有一个安全使用的电压区间,最高电压和最低电压俗称充放电终止电压或充放电截止电压,当电池的实际工作电压长时间低于放电终止电压或者长时间高于充电终止电压时,电池内部将发生不可逆转的伤害,严重伤害电池
大庆市交通运输局 周宝林

过充和过放的危害及其表现

蓄电池都有一个安全使用的电压区间,最高电压和最低电压俗称充放电终止电压或充放电截止电压,当电池的实际工作电压长时间低于放电终止电压或者长时间高于充电终止电压时,电池内部将发生不可逆转的伤害,严重伤害电池,性能下降,俗称衰减,其重要电气参数表现为容量下降、内阻上升,有时还会发生自放电率上升,这些参数的改变直接会在充放电时变现出来。“衰减电池”的主要表现如下:

第一,电压的表现。充电时电压快速上升,上升速度远远超过电压平均上升速度;放电时电压快速下降,下降速度远远超过电压平均下降速度。

第二,温度的表现。由于内阻的明显增大(内阻还会随着充放电次数的增加逐渐增大),内阻原因引起的温升始终是组内最高的,无论是充电还是放电,都会引起电池组局部高温,高温还会进一步加速“衰减电池”的进一步衰减。

第三,容量和充放电时间的变化。电池组无论是充电容量还是放电容量都会因为衰减电池的存在明显减小,与之对应的是充放电时间的变化,充电时间很短就会提示电池组充满电,放电时很快就会提示电池组放电结束。

使用单体电池供电设备,很容易监测和控制,一般不容易发生过充和过放问题。

对于电池组而然,人们往往认为每一块单元电池的电压始终都是相同的,不会出现大的差异,只要整组电池不过充和过放就行,单元电池的过充和过放问题极易被忽视,即使有一两个单元发生了过充和过放问题也不会在整组上明显表现出来,不通过专业仪器检测很难发现,因此,电池组更容易发生过充和过放的问题。

BMS的安全防护功能缺陷

防止电池过充和过放是BMS的基本功能,但现实是,过充问题并没有因为BMS的存在而彻底解决,由于无法高效解决电池组的一致性问题,单元电池的过充问题依旧存在,也就留下了隐患。

2018年,全国已经有包括特斯拉、众泰、野马、江铃、力帆等多个品牌的电动车发生自燃,2019年4月21日,上海特斯拉电动汽车在地下停车场发生自燃,车辆自燃前刚刚完成充电操作。5月3日,美国旧金山一辆特斯拉Model S型纯电动汽车在私人车库内停放时,车体突然冒出白烟,幸被消防人员及时扑救,无人伤亡。自燃事件再次将电动汽车安全问题向前推动了一大步,两台车当时并未处于充电状态,“自燃”原因待查,但多指向电池发生内短路引起的。理论研究和实验证明,鉴于锂电池的电极材料、隔膜、结构等多方面因素,锂电池的过充电(过充电电池容易发生过放电)是发生内短路的主要原因。

一致性管理缺陷是BMS的最大短板

在排除各种外力作用和电池自身缺陷的原因后,一致性问题依然普遍存在的根本原因还是BMS的“管理”作用没有做到,大多数处于“监测”和“提示”层面,不具有处理“一致性”问题的操控能力。

热失控发生之前,异常单元电池的温升一定会发生明显的偏高异常,如果单元电池配备独立的温度传感器,结合该单元电池的实时电压、内阻等监测信息应该可以对该单元电池提前做出异常预警,同时启动对应的管理策略,例如主动降低充电电流、减缓充电速度,防止温度上升过快;如果是放电时间,则应主动降低放电电流,防止温度上升过快,这都可以有效降低“异常”单元电池的热失控风险,提高安全性。但这些措施都是在电池组一致性无法得到根本性解决前提下的自身保护功能,只是一种权宜之计,真正最需要解决的是如何提高和稳定电池组的一致性问题,如果电池组的一致性问题得到高效解决,那么,热失控问题的发生概率就会大幅度降低。

目前,基于成本和技术原因,电动汽车所使用的电池均衡基本都是被动均衡(也包括主动控制下的被动均衡),充电期间,衰减单元电池被过充的概率非常大、温升也最高,如果热管理系统无法满足要求,发生“热失控”风险以及引发的爆炸、着火的概率就会呈指数式增加,上海特斯拉汽车充电约一个小时后自燃的原因,极有可能是个别单元热失控引起电池内部短路,继而引发电池组的问题单元着火并引燃汽车。
 
关键词: 电池组 寿命
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