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鋰電池不安全?這4個辦法 讓你遠離危險

瀏覽次數:1493 發布日期:2020-01-09

[摘要]隨著電動自行車新國標的實施,整車的重量受到了嚴格的限制,能量密度更高的鋰離子電池被大規模地應用于電動自行車中。

  隨著電動自行車新國標的實施,整車的重量受到了嚴格的限制,能量密度更高的鋰離子電池被大規模地應用于電動自行車中。但是,電動兩輪車市場上的鋰離子電池質量參差不齊,且大部分門店導購和消費者都缺乏對鋰離子電池的了解,由此可能會導致安全事故。這也是為什么近日某兩輪車頭部品牌,發文禁止其線下門店參與換電項目、囤放大量鋰電池的原因。

  那么,鋰電池到底有什么安全隱患呢?首先要了解鋰電池的工作原理。

  文章目錄

  一、鋰離子電池的工作原理

  二、電動車鋰電池為什么會爆炸?

  三、鋰電池安全措施

  一、鋰離子電池的工作原理

  鋰離子電池以碳素材料為負極,以含鋰的化合物為正極(根據正極化合物不同,常見的鋰離子電池有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰等)。中間有一層膈膜,避免正負極短路。在充放電過程中,Li+在正負極間往返:充電時,鋰離子從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極;放電時則相反。在鋰離子的嵌入與脫嵌過程中,同時伴隨著等當量的電子的嵌入和脫嵌,也就產生了電流。

  二、電動車鋰電池為什么會爆炸?

  了解了鋰電池的工作原理,也就能知道鋰離子電池會爆炸的原因了,主要分為以下兩點。

  1、過充導致放出的鋰過多,負極部位容量不足,充電時產生的鋰就無法插入負極石墨的間層結構中,會在負極表面形成金屬鋰。時間一久,這些鋰原子會由負極表面往鋰離子來的方向長出樹枝狀結晶。這些鋰金屬結晶會穿過膈膜紙,使正負極短路。有時在短路發生前電池就先爆炸,這是因為在過充過程,電解液等材料會裂解產生氣體,使得電池外殼或壓力閥鼓漲破裂,讓氧氣進去與堆積在負極表面的鋰原子反應,進而爆炸。

  2、充放電時,電流的限制也很有必要。電流過大時,鋰離子來不及進入間層結構中,也會匯集在負極材料表面。這些鋰離子獲得電子后,會在材料表面產生鋰原子結晶,這與過充一樣,會造成危險性。

  因此,一般在鋰電池組內,除了鋰電池芯外,都會有一片保護板,也就是我們常說的BMS(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM),中文名字叫電池管理系統。它能夠監測鋰電池的電壓、電流和溫度等信息,并根據鋰電池的狀態,在需要的時候進行干預。

  不論是電動汽車還是電動自行車,鋰電池事故已不再是新鮮事。在老國標時代,電動車行業已經有少量的鋰電池應用,就已經發生了不少安全事故,其主要原因是鋰電芯不穩定,PACK工藝不成熟,還有對鋰電池知識匱乏導致的不良使用習慣等。隨著新國標時代鋰電池的用量激增,如果不采取一些措施,其事故概率可想而知。

  三、鋰電池安全措施

  1、安全措施一:軟件BMS保護板,遠程安全監控

  如今國內電芯制造水平還達不到日韓一致性精度,電芯本身就存在一定的安全隱患,如果僅僅搭配純硬件BMS板做保護,這類電子部件都存在失效的概率,一旦BMS失效,則必定會發生安全事故。

  綠源的解決方案是,加入遠程數據傳輸模塊,實現整車關鍵電氣部件數據互聯,其中就包括鋰電池的充放電數據。通過總部的數據監控平臺,預判電池失效模式,提前告知用戶并快捷服務,將安全隱患消除在萌芽中。

  2、安全措施二:改良結構,提升鋰電池安全性

  與電動汽車相比,電動自行車的鋰電池使用環境更加惡劣。整車減震性能差;騎行路況復雜;整車經常被置于戶外,電池也會直接暴露在外,經歷風吹、日曬、雨淋。

  綠源自主設計了全密封透氣干燥防進水、防潮氣結構,內部采用高導熱系數硅膠填充,在提高內部電芯和BMS板抗震等級的同時,也進一步加強了防水、防潮性能。同時做到了電池內部各電芯之間實現均溫目的,保障電芯一致性,進而提高整組電池的使用壽命。

  3、安全措施三:雙向握手識別電路,確保電池不亂用

  市場上電動自行車基本都是直通式輸出方案,給用戶濫用電池提供了便利。如將鋰電池用于鉛酸車,即鉛改鋰銷售;或用作試車寶,用于鉛酸車試騎;還會出現維修人員用鉛酸控制器或充電器替代出現故障的鋰電車控制器和充電器。這些都是鉛酸電池時代留下的不良習慣。鋰電池一旦誤用在鉛酸車上,由于鉛酸控制器存在EABS反充電,且與鋰電欠壓點不一致等均會給鋰電池造成安全隱患。

  綠源的對策是,在鋰電池BMS板和控制器之間、在BMS板和充電器之前均增加了雙向握手識別電路,只要不互相匹配,鋰電池就會關閉充放電回路,不允許非法控制器放電、非法充電器充電,減少因外部因素導致的鋰電池安全事故。

  4、鋰電安全措施四:PGR電機避免鋰電池反充電

  EABS反充電,對于鉛酸電池是一個非常好的利益點,但對于鋰電池來說,反而成為安全隱患點。

  鋰電池反充電有什么危害?前面我們已經介紹過鋰電池的充電原理,即鋰離子從正極脫出,經過膈膜和電解液遷移至負極多孔石墨的過程。如果鋰離子遷移速度不夠快、遷移數量太多,就會滯留在負極表面形成金屬鋰枝晶,累積到一定程度就會刺破膈膜發生短路爆炸。而影響充電過程中鋰離子遷移的數量和速度的因素,主要是環境溫度和充電電流大小。

  雖然鋰電車都取消了EABS功能,但在下坡滑行過程中,還是會出現反向充電電流:現有行業鋰電電動自行車普遍采用低速輪轂直驅電機,該電機在騎行過程中是電動機,而在下坡高速滑行時,就成為了發電機。當電機轉速超過額定轉速時,反電動勢電壓就會高于電池電壓,將能量反灌至電池中,整車下滑速度越快,其感應反電動勢就越高,即反充電電流就會越大。

  尤其是在新國標電動自行車最高限速25公里每小時情況下,在下坡路段滑行速度輕易就會超過最高車速25公里每小時,反充電電流極大,尤其是在寒冷的冬天,電解液的導電率下降,鋰離子遷移速率降低,負極表面形成金屬鋰枝晶的概率就更大了,刺穿膈膜更容易發生,輕則出現電池容量急劇下降,壽命加速衰退,重則出現大面積短路發熱,最終失控爆炸燃燒。

  因此,綠源在鋰電車型上搭載了自主設計的PGR電機,帶有離合器裝置,滑行過程中,內部電機與外輪脫開,停止轉動,即不會產生感應電動勢,當然就不會出現反充電了。

  綠源通過深入剖析鋰電池失效機理,通過以上多項技術改進,才能確保鋰電安全可靠,才有可能讓鋰離子電池在電動自行車上普及開來,同時讓用戶使用時更加安心、可靠、麻煩少。

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