Được chính sách hướng dẫn và hỗ trợ, xe điện đã bước vào giai đoạn phát triển nhanh chóng. Chính phủ và các nhà sản xuất động cơ lớn đã xây dựng các kế hoạch phát triển tương ứng cho xe điện. Trong tương lai, xe điện sẽ dần thay thế xe chạy bằng nhiên liệu truyền thống. Tuy nhiên, sau một loạt các vụ va chạm xe điện được báo cáo, hỏa hoạn và thậm chí là nổ lại xảy ra, khiến mọi người chú ý đến sự an toàn của xe điện. Xe điện chủ yếu sử dụng pin điện làm nguồn điện, dẫn đến một loạt các vấn đề như bộ pin điện, dây điện cao thế và thấp thế và bảo vệ đầu tải. Tuy nhiên, do đặc điểm tích hợp điện áp cao và năng lượng điện cao, nên việc bố trí bộ pin điện trên xe và bảo vệ va chạm cần được chú trọng.

Các luật và quy định hiện hành đưa ra các tiêu chuẩn phát hiện tương ứng đối với việc lạm dụng cơ học của bộ pin. Tuy nhiên, trong điều kiện đường thực tế, các hình thức tai nạn ô tô khác nhau và có nguy cơ bộ pin sẽ bị ép sau khi va chạm với xe, dẫn đến cháy nổ. Do đó, cần phải nghiên cứu về an toàn va chạm của bộ pin điện.

Một số học giả đã nghiên cứu tính an toàn của pin từ các thành phần được sử dụng trong pin, chẳng hạn như vật liệu điện cực, bộ tách và thành phần điện phân. Ngoài ra còn có một loạt các nghiên cứu thực nghiệm về pin điện, chẳng hạn như thử nghiệm lõm, uốn cong ba điểm, châm cứu và thả trọng lượng, để khám phá phản ứng cơ học của pin điện khi chịu tải. Phân tích mô phỏng cấu trúc cụm pin và hiệu suất va chạm của xe năng lượng mới cũng được thực hiện, để cung cấp hướng dẫn cho thiết kế an toàn kết cấu của xe có pin điện.

Trong bài báo này, một loại pin lithium ion nhất định được lấy làm đối tượng nghiên cứu và thử nghiệm đùn được thực hiện theo các hướng khác nhau của cell. Thông qua việc thu thập dữ liệu về áp suất đùn, nhiệt độ và điện áp, hướng của sức cản yếu đối với quá trình đùn của cell được tìm ra. Sau đó, khả năng chịu đựng hư hỏng do đùn của cell được xác định thêm thông qua việc phân tích các điều kiện tải khác nhau. Thứ hai, khả năng chống đùn của các mô-đun theo các hướng khác nhau được phân tích.

1. Pin điện bị mất nhiệt

Lấy pin năng lượng lithium ion làm ví dụ, cơ chế hoạt động chính của nó liên quan đến việc tách lithium và chèn lithium của vật liệu catốt và anode, cũng như truyền và khuếch tán các ion lithium trong chất điện phân (khối lượng) và vật liệu màng ngăn. Hầu hết các vấn đề về an toàn của pin năng lượng đều liên quan trực tiếp đến thành phần vật liệu của pin. Do lạm dụng cơ học, chẳng hạn như pin quá nóng, sạc quá mức, xả, va đập, đùn, v.v., các phản ứng hóa học sẽ xảy ra giữa các vật liệu pin bên trong, dẫn đến quá nhiệt và cuối cùng dẫn đến tai nạn cháy nổ.

Sau tai nạn va chạm xe hơi, cấu trúc pin sẽ bị biến dạng sau khi bị va chạm và ép, dẫn đến hỏng vật liệu linh kiện bên trong, bao gồm cả màng ngăn bị vỡ hoặc vật liệu catốt và anot bị vỡ, dẫn đến ngắn mạch bên trong; ngắn mạch bên trong tạo ra một lượng lớn nhiệt Joule, dẫn đến phân hủy vật liệu trong một pin. Khi nhiệt độ nằm trong khoảng từ 80 ℃ đến 120 ℃, giao diện chất điện phân rắn (SEI) đầu tiên bị phân hủy.

Khi phản ứng phân hủy màng SEI tiến triển đến một mức độ nhất định, một loạt các phản ứng hóa học tiếp theo sẽ xảy ra. Sự chạy trốn nhiệt của pin lithium ion có thể được chia thành năm giai đoạn phản ứng sau theo sự gia tăng nhiệt độ: Phản ứng phân hủy màng SEI, phản ứng điện cực âm và chất điện phân, phản ứng phân hủy hoạt chất dương, phản ứng kết dính và phản ứng phân hủy chất điện phân. Phản ứng sinh nhiệt bên trong pin cũng sẽ tạo ra một lượng lớn khí và áp suất bên trong cấu trúc sẽ nhanh chóng tăng lên và tụ lại; Khi áp suất đạt đến giới hạn chịu lực của cấu trúc, có thể xảy ra cháy nổ. Khi một pin đơn lẻ bị hỏng, nó cũng sẽ nhanh chóng lan sang các pin liền kề, dẫn đến hỏng hệ thống pin, gây ra hậu quả nghiêm trọng hơn.

Khi pin điện bị đoản mạch, điện áp bắt đầu giảm và nhiệt độ bắt đầu tăng, do đó nhiệt độ và điện áp có thể được sử dụng làm cơ sở phán đoán cho sự cố của pin điện. Xem xét rằng nhiệt độ sau khi đoản mạch bên trong chỉ có thể truyền đến bề mặt pin trong một thời gian nhất định và bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ môi trường, so với nhiệt độ, điện áp là thông số có thể phán đoán tương đối nhanh chóng và chính xác sự cố ngắn mạch của pin điện. Giá trị quan trọng của sự cố đùn của loại pin này có thể được xác định bằng cách tăng nhiệt độ và bắt đầu giảm điện áp.

Hình 1 cho thấy dữ liệu nhiệt độ và điện áp thu thập được trong quá trình chạy trốn nhiệt của cell bị ép trong thử nghiệm. Trong vòng 0 ~ 36 giây, cell bị ép đến một mức độ nhất định, điện áp vẫn ổn định ở mức 4,14V và nhiệt độ pin là 26,2 ℃; Trong vòng 37-38 giây, điện áp giảm xuống 2mV và nhiệt độ pin tăng lên 30,5 ℃; Khi tải đạt 50 giây, điện áp đo được luôn là 2 mV và nhiệt độ tăng lên 131 ℃. Lúc này, quan sát thấy một lượng lớn khói phát ra từ cell; Trong vòng 50 ~ 51 giây, nhiệt độ pin tăng từ 131 ℃ lên 614 ℃, sau đó xảy ra cháy nổ.

Hình 2 cho thấy hiện tượng khói, cháy, nổ khi nhiệt độ đùn của một cục pin đơn không được kiểm soát trong quá trình thử nghiệm.

2.Thử nghiệm độ bền của pin

Bộ pin điện thường được bố trí dưới sàn xe. Trong trường hợp va chạm phía trước hoặc va chạm phía sau, có đủ không gian hấp thụ năng lượng ở phía trước và phía sau xe, biến dạng cấu trúc của sàn nhỏ và bộ pin điện sẽ không bị hư hỏng do đùn; Tuy nhiên, khi xe chịu tác động bên hông, không gian hấp thụ năng lượng bên nhỏ và lực tác động được truyền đến dầm sàn, kênh trung tâm và các khu vực khác thông qua ngưỡng. Bộ pin điện dễ bị ép và hư hỏng, do đó gây hư hỏng cho các mô-đun và monome bên trong. Do đó, có thể cung cấp cơ sở cho thiết kế bố trí an toàn của bộ pin điện và phán đoán lỗi trong mô phỏng để xác định khả năng chịu đựng hư hỏng đùn của từng ô bằng cách thử nghiệm và nghiên cứu hư hỏng và hỏng hóc của các ô pin và mô-đun trong điều kiện đùn.