电动汽车锂离子动力电池压力稳定性研究

发布时间：2017-10-15 10:01

  本文关键词：电动汽车锂离子动力电池压力稳定性研究

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【摘要】：锂离子动力电池以其体积小、比能量高、电压高、自放电率小和循环寿命好等优点被选作电动汽车电池,而其缺点为在高温、碰撞以及滥用等工况下会出现爆炸、失火等安全性问题。电动汽车锂离子动力电池安全性是影响电动汽车实现大规模产业化和市场化的关键因素。目前对电动汽车碰撞安全性的研究采用的是较为成熟的汽柴油车碰撞相容性设计和实验技术。而对锂离子动力电池碰撞安全性的研究参考的是各国标准中规定的测试要求以及企业中推荐的标准,缺乏高速碰撞条件下电池性能的研究。锂离子动力电池碰撞安全性,即电池在高速撞击条件下的压力稳定性,本文研究了影响锂离子动力电池压力稳定性的因素。本文分析了国内外锂离子动力电池的研究现状,对比了各国关于锂离子电池的安全法规和技术标准,并且列举了与电池碰撞安全性相关的实验测试方法。而后又总结分析了锂离子动力电池爆炸机理,电池内部可能发生的电化学反应,及各反应的放热情况,分析了电池热失控的触发、扩展和演化机制,最后说明了电池热稳定性与压力稳定性的关系。采用有限元模拟仿真法建立了18650锂离子动力电池模型,并进行了高速碰撞条件下电池结构的模拟仿真。考察了电池在不同撞击速度下内部结构的破坏程度,仿真结果显示,随着撞击速度的增大,电池隔膜、正负极片和材料破坏的层数越多,电池发生热失控的可能性越大,电池的压力稳定性越差。设计搭建了锂离子动力电池高速碰撞实验台,对18650锂离子动力电池进行了高速碰撞实验,验证了模拟仿真结果,将速度和荷电状态作为变量,考察不同速度不同荷电状态对电池压力稳定性的影响。实验测量了高速碰撞过程中电池的电压变化,记录电池的变形程度和碰撞后的状态。实验结果表明,撞击速度较低时,在碰撞时刻电池电压有轻微扰动,而后恢复到初始值(或者略低于初始值);撞击速度较高时,在碰撞时刻电池电压明显下降,下降过程中有所波动,最后电压降为0。随着撞击速度的增大,电池变形逐渐增大,电池内部组件破坏越严重,碰撞后有部分电池出现了漏液、泄压阀开启和冒烟的现象。而荷电状态对电池压力稳定性的影响表现为荷电状态越高电池的压力稳定性越差。
【关键词】：锂离子动力电池 压力稳定性 碰撞安全性 仿真
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 课题研究的背景与意义11-13
• 1.2 国内外研究现状13-22
• 1.2.1 整车与电池碰撞安全性13-16
• 1.2.2 国内外相关技术标准16-19
• 1.2.3 电池安全性实验测试方法19-22
• 1.3 本文的主要研究内容22-25
• 第2章 锂离子动力电池碰撞爆炸机理分析25-37
• 2.1 锂离子动力电池的组成及工作原理25-27
• 2.1.1 锂离子电池的组成25-27
• 2.1.2 锂离子电池的工作原理27
• 2.2 电池电化学反应机理及其热稳定性27-31
• 2.2.1 正、负极氧化还原反应28
• 2.2.2 SEI膜的分解反应28-29
• 2.2.3 嵌锂碳负极与溶剂的反应29
• 2.2.4 电解液的分解反应29-30
• 2.2.5 正极材料可能发生的反应30-31
• 2.2.6 电池隔膜的反应31
• 2.3 电池热失控的触发扩展和演化机制31-34
• 2.3.1 热滥用引起的电池热失控31-32
• 2.3.2 过充引起的电池热失控32-33
• 2.3.3 其他情况引起的热失控33
• 2.3.4 电池热失控总结33-34
• 2.4 电池压力稳定性与热稳定性的联系34-35
• 2.5 本章小结35-37
• 第3章 锂离子动力电池碰撞模拟仿真37-55
• 3.1 碰撞模拟仿真概述37-39
• 3.2 电池碰撞有限元模型的建立39-45
• 3.2.1 几何模型的建立与网格划分41-45
• 3.2.2 刚性墙的建立45
• 3.3 仿真求解参数的选择与设置45-47
• 3.3.1 定义约束和载荷45-46
• 3.3.2 定义接触类型46
• 3.3.3 沙漏控制设置46
• 3.3.4 输出控制设置46-47
• 3.4 电池碰撞仿真结果分析47-53
• 3.4.1 变形结果及分析47-49
• 3.4.2 位移时间历程曲线分析49-53
• 3.4.3 电池碰撞仿真与电池爆炸的联系53
• 3.5 本章小结53-55
• 第4章 锂离子动力电池高速碰撞实验55-77
• 4.1 锂离子动力电池高速碰撞实验台设计55-61
• 4.1.1 动力参数的选择与计算56
• 4.1.2 实验台设备的选型56-59
• 4.1.3 实验台架设计59-60
• 4.1.4 电池参数测量装置60-61
• 4.2 锂离子动力电池高速碰撞实验61-65
• 4.2.1 实验台安装及调试61-63
• 4.2.2 锂离子动力电池高速碰撞实验63-64
• 4.2.3 实验注意事项64-65
• 4.3 锂离子动力电池高速碰撞实验结果分析65-75
• 4.3.1 速度对电池结构的影响65-68
• 4.3.2 速度对电池压力稳定性的影响68-71
• 4.3.3 荷电状态对电池压力稳定性的影响71-74
• 4.3.4 电池碰撞后状态分析74-75
• 4.4 本章小结75-77
• 第5章 全文总结与展望77-79
• 参考文献79-83
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果83-85
• 致谢85

【参考文献】

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本文编号：1036474