Pin lithium ion có những ưu điểm là năng lượng riêng cao, công suất riêng cao, nền tảng điện áp cao, tự xả nhỏ, tuổi thọ chu kỳ dài, ô nhiễm môi trường thấp và không có hiệu ứng bộ nhớ. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong điện thoại di động, máy tính, xe điện, quân sự, công nghệ vũ trụ và các lĩnh vực liên quan khác. Tuy nhiên, pin lithium ion mang lại một số mối nguy hiểm tiềm ẩn về an toàn trong khi mang lại lợi ích cho nhân loại. Ví dụ, pin lithium ion có thể gây cháy, nổ và các mối nguy hiểm khác trong điều kiện lạm dụng (như sạc quá mức, xả quá mức, đoản mạch, đùn, châm cứu, nhiệt độ cao, v.v.).

Trong những năm gần đây, các vụ tai nạn liên quan đến an toàn của pin lithium ion liên tục xảy ra, gây ra mối đe dọa lớn đến an toàn cá nhân và tài sản của mọi người. Hiệu suất an toàn của pin lithium vẫn là một vấn đề cấp bách cần được giải quyết. Theo quan điểm của bản thân pin lithium, bản thân nó là vật mang năng lượng, có các yếu tố không an toàn. Các quy trình sản xuất công suất khác nhau và phương pháp sử dụng có được chuẩn hóa hay không sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất an toàn của pin.

Hiện nay, có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về ảnh hưởng của vật liệu điện cực dương, điện cực âm, chất điện phân, màng ngăn và các yếu tố khác đến hiệu suất an toàn của pin lithium, nhưng có rất ít nghiên cứu về ảnh hưởng của cấu trúc cell và vật liệu vỏ pin đến hiệu suất an toàn của pin lithium. Trong bài báo này, ảnh hưởng của cấu trúc cell và vật liệu vỏ pin đến hiệu suất an toàn của pin lithium đã được nghiên cứu sâu.

Ba loại pin được sử dụng trong thí nghiệm này là pin vỏ thép loại 18650, pin gói mềm loại cuộn và pin gói mềm loại nhiều lớp có dung lượng 2 Ah. Sự khác biệt là cấu trúc cell pin và cấu trúc vật liệu vỏ đóng gói được chia thành loại cuộn và loại nhiều lớp. Các cell của pin vỏ thép và pin mềm cuộn là loại có cấu trúc cuộn, và các cell của pin mềm cuộn là loại có cấu trúc nhiều lớp. Các vật liệu bao gồm màng composite nhôm nhựa và thép mạ niken.

Thử nghiệm hiệu suất an toàn

Trong nghiên cứu này, ba thử nghiệm ngắn mạch bên ngoài, châm cứu và quá tải đã được sử dụng để mô tả hiệu suất an toàn của pin. Ba thử nghiệm an toàn trên được thực hiện theo tiêu chuẩn quốc tế. Trong điều kiện nhiệt độ phòng, thử nghiệm đâm đinh được thực hiện bằng buồng thử đâm đinh. Hiệu suất quá tải được thử nghiệm bằng tủ thử nghiệm.

Thử nghiệm ngắn mạch ngoài

Kết quả thử nghiệm cho thấy nhiệt độ của pin mềm nhiều lớp, pin mềm quấn và pin vỏ thép 18650 tăng nhanh trong thời gian ngắn khi xảy ra hiện tượng đoản mạch bên ngoài, nhiệt độ tối đa lần lượt là 64, 82 và 102 ℃. Do được bảo vệ bằng màng ngăn khô nên mặc dù pin bị đoản mạch bên ngoài, hai cực của pin vẫn sớm cho thấy một điện áp nhất định. Khi điện áp pin tăng lên bằng không, nhiệt độ bề mặt của ba loại pin lần lượt đạt đến nhiệt độ tối đa của chúng. Khi dòng điện đoản mạch giảm xuống bằng không, quá trình xả pin dừng lại và nhiệt độ bề mặt pin giảm dần xuống nhiệt độ phòng. Không có hiện tượng cháy nổ sau khi đoản mạch của ba loại pin.

Van an toàn của pin vỏ thép mở và có rò rỉ chất lỏng. Không tìm thấy hiện tượng rõ ràng nào đối với hai loại pin còn lại. Nguyên nhân của hiện tượng trên là tại thời điểm dây đồng được kết nối, các điện cực dương và âm của pin tạo thành một mạch kín thông qua dây đồng, điện áp giảm nhanh, dòng điện tăng tức thời và dòng điện ngắn mạch có thể đạt tới hơn 60 A. Nhiệt sinh ra bởi dòng điện lớn thông qua điện trở trong của pin và sự tích tụ nhiệt. Nhiệt độ bề mặt của pin tăng nhanh.

Từ thí nghiệm đoản mạch, có thể kết luận rằng nhiệt độ tăng của ba loại pin là khác nhau. Nhiệt độ tăng tối đa của pin vỏ thép là nhỏ nhất. Ngoài việc lấy các điều kiện khắc nghiệt như cháy nổ làm tiêu chuẩn đánh giá, sự thay đổi nhiệt độ bề mặt của hồ mặt trăng cũng là dữ liệu trực quan của kết quả thí nghiệm, có thể mô tả ưu điểm và nhược điểm của thử nghiệm đoản mạch. Nhiệt độ pin càng cao thì hiệu suất an toàn của pin càng kém. Các kết quả trên cho thấy độ an toàn của pin trong ba quy trình sản xuất lần lượt là từ cao xuống thấp, pin mềm nhiều lớp, pin mềm quấn và pin vỏ thép 18650.

Thử nghiệm độ đâm xuyên

Có thể thấy từ thử nghiệm, nhiệt độ của pin mềm quấn và pin vỏ thép 18650 tăng lên lần lượt là 190 ℃ và 239 ℃ trong thời gian ngắn, pin vỏ thép bắt lửa và cháy; Một lượng lớn khói đã được phát ra từ pin mềm cuộn, nhưng không có đám cháy. Sau đó, nhiệt độ bề mặt của pin giảm dần. Tuy nhiên, pin mềm nhiều lớp không bốc khói hoặc cháy, và nhiệt độ tối đa chỉ là 82 ℃.

Cơ chế của phản ứng trên là sau khi pin bị thủng, kim thép và các cực dương và cực âm của pin tạo thành một mạch kín, và xảy ra hiện tượng đoản mạch bên trong ngay lập tức. Điện áp ở cả hai đầu pin giảm nhanh xuống bằng không, và dòng điện tăng đột ngột, tạo ra nhiệt lượng lớn. Nhiệt độ bề mặt tăng nhanh, dẫn đến sự giãn nở hơn nữa của vùng đoản mạch nóng chảy của màng ngăn, gây ra một vòng luẩn quẩn.

Sự khác biệt giữa kết quả của pin mềm quấn và pin vỏ thép 18650 nằm ở vật liệu vỏ đóng gói khác nhau. Loại trước sử dụng màng nhựa nhôm để đóng gói và loại sau sử dụng thép mạ niken để đóng gói. Lý do tại sao áp suất nổ của loại trước thấp hơn nhiều so với loại sau là do màng composite nhựa nhôm của pin lithium ion đóng gói mềm có độ dẻo nhất định và độ bền cơ học thấp. Trong trường hợp đoản mạch bên trong, pin dễ bị phồng và xả, giảm nguy cơ nổ. Pin vỏ thép là cấu trúc khép kín, sẽ tạo ra sức nổ lớn trong trường hợp nổ.

Sự khác biệt giữa kết quả của pin mềm cuộn và pin mềm nhiều lớp nằm ở sự khác biệt về cấu trúc cell của chúng. Cell cuộn bao gồm một tấm dương, một tấm âm và hai màng ngăn, được quấn bằng máy quấn để tạo thành điện trở bên trong khoảng 50 mΩ. Các cell của pin mềm nhiều lớp được xếp chồng xen kẽ với các tấm điện cực dương và âm và màng ngăn, trong đó màng ngăn có hình chữ Z. Pin nhiều lớp tương đương với nhiều pin song song, với điện trở bên trong khoảng 10 mΩ.

Ngoài ra, do số lớp lõi điện dạng cuộn nhiều hơn lõi điện dạng nhiều lớp nên diện tích tiếp xúc ngắn mạch lớn hơn, nhiệt sinh ra cũng nhiều hơn. Do đó, nhiệt độ bề mặt của pin mềm dạng cuộn cao hơn 108℃ so với pin mềm dạng nhiều lớp. Tóm lại, pin mềm dạng nhiều lớp có hiệu suất an toàn cao nhất.

Phần kết luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy pin vỏ thép loại 18650 có hiện tượng đánh lửa và cháy nghiêm trọng trong thí nghiệm châm cứu. Trong quá trình thử nghiệm quá tải 3 C, 5 V, pin mềm loại quấn có hiện tượng phồng và đánh lửa và cháy, trong khi pin mềm nhiều lớp chỉ có hiện tượng phồng. Pin vỏ thép không có nguy cơ an toàn tiềm ẩn rõ ràng do có van an toàn riêng bảo vệ. Do đó, cấu trúc cell và vật liệu vỏ pin là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất an toàn của pin lithium ion.

Điều khiển 

Buồng thử nhiệt độ và độ ẩm bao gồm buồng thử liên tục và buồng thử xen kẽ. Buồng thử nhiệt độ cao và thấp thông thường thường đề cập đến buồng thử nhiệt độ cao và thấp liên tục. Chế độ điều khiển của nó là: đặt nhiệt độ mục tiêu

Buồng kiểm tra có khả năng tự động ổn định nhiệt độ đến điểm nhiệt độ mục tiêu. Chế độ điều khiển của buồng thử nghiệm nhiệt độ và độ ẩm không đổi cũng tương tự. Đặt điểm nhiệt độ và độ ẩm mục tiêu. Buồng thử nghiệm có khả năng tự động ổn định nhiệt độ đến điểm nhiệt độ và độ ẩm mục tiêu. Buồng thử nghiệm xen kẽ nhiệt độ cao và thấp có chương trình để thiết lập một hoặc nhiều thay đổi và chu kỳ nhiệt độ cao và thấp.

Buồng thử nghiệm có khả năng hoàn thành quá trình thử nghiệm theo đường cong cài đặt trước và có thể kiểm soát chính xác tốc độ tăng và giảm nhiệt độ trong phạm vi tốc độ tăng và giảm nhiệt độ tối đa, tức là tốc độ tăng và giảm nhiệt độ có thể được kiểm soát theo độ dốc của đường cong cài đặt. Tương tự như vậy, buồng thử nghiệm nhiệt ẩm xen kẽ nhiệt độ cao và thấp cũng có khả năng cài đặt trước các đường cong nhiệt độ và độ ẩm và kiểm soát chúng theo các cài đặt trước.

Tất nhiên, buồng thử nghiệm xen kẽ có chức năng của buồng thử nghiệm không đổi, nhưng chi phí sản xuất buồng thử nghiệm xen kẽ tương đối cao. Bởi vì buồng thử nghiệm xen kẽ cần được trang bị thiết bị ghi đường cong tự động và bộ điều khiển chương trình ở phía tây, và vấn đề khởi động tủ lạnh khi nhiệt độ trong buồng cao phải được giải quyết. Do đó, giá của buồng thử nghiệm xen kẽ thường cao hơn 20% so với buồng thử nghiệm không đổi. Do đó, chúng ta nên thực tế và lấy nhu cầu của phương pháp thử nghiệm làm điểm khởi đầu và chọn buồng thử nghiệm không đổi hoặc buồng thử nghiệm xen kẽ.

Tỷ lệ thay đổi nhiệt độ

Các buồng thử nhiệt độ cao và thấp thông thường không có chỉ số tốc độ làm mát và thời gian từ nhiệt độ môi trường đến nhiệt độ tối thiểu danh nghĩa thường là

90~120 phút. Buồng thử nghiệm xen kẽ nhiệt độ cao và thấp và buồng thử nghiệm nhiệt ẩm xen kẽ nhiệt độ cao và thấp đều có yêu cầu về tốc độ thay đổi nhiệt độ, thường yêu cầu 1℃/phút và tốc độ có thể được điều chỉnh trong phạm vi tốc độ này. Tốc độ thay đổi nhiệt độ của buồng thử nghiệm thay đổi nhiệt độ nhanh là nhanh. Tốc độ tăng và giảm nhiệt độ có thể đạt 3℃/phút~15℃/phút và tốc độ tăng và tăng nhiệt độ thậm chí có thể đạt hơn 30℃/phút ở một số vùng nhiệt độ

Phạm vi nhiệt độ của buồng thử nghiệm thay đổi nhiệt độ nhanh với các thông số kỹ thuật và tốc độ khác nhau nói chung là giống nhau, tức là – 60~+130℃, nhưng phạm vi nhiệt độ để đánh giá tốc độ làm mát lại khác nhau. Theo các yêu cầu thử nghiệm khác nhau, một số phạm vi nhiệt độ của buồng thử nghiệm thay đổi nhiệt độ nhanh là – 55~ +80℃, trong khi một số khác là 40~+80℃.

Có hai cách để mô tả tốc độ thay đổi nhiệt độ của buồng thử nghiệm thay đổi nhiệt độ nhanh, một là tốc độ tăng và giảm nhiệt độ trung bình trong toàn bộ quá trình, và cách còn lại là tốc độ tăng và giảm nhiệt độ tuyến tính (thực tế là tốc độ trung bình cứ sau 5 phút). Tốc độ trung bình tổng thể đề cập đến tỷ lệ chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp nhất và thời gian trong phạm vi nhiệt độ của buồng thử nghiệm.

Hiện nay, các thông số kỹ thuật về tốc độ thay đổi nhiệt độ do các nhà sản xuất thiết bị kiểm tra môi trường nước ngoài cung cấp là tốc độ trung bình của toàn bộ quá trình. Tốc độ tăng và giảm nhiệt độ tuyến tính là tốc độ thay đổi nhiệt độ có thể được đảm bảo sau mỗi 5 phút. Trên thực tế, đối với buồng thử nghiệm thay đổi nhiệt độ nhanh, phần khó khăn và quan trọng nhất để đảm bảo tốc độ tăng và giảm nhiệt độ tuyến tính là tốc độ làm mát mà buồng thử nghiệm có thể đạt được trong 5 phút cuối của phần làm mát.

Theo một góc độ nào đó, tốc độ tăng giảm nhiệt độ tuyến tính (tốc độ trung bình cứ 5 phút) mang tính khoa học hơn. Do đó, tốt hơn là thiết bị thử nghiệm nên có hai thông số: tốc độ tăng giảm nhiệt độ trung bình trong toàn bộ quá trình và tốc độ tăng giảm nhiệt độ tuyến tính (tốc độ trung bình cứ 5 phút). Nhìn chung, tốc độ tăng giảm nhiệt độ tuyến tính (tốc độ trung bình cứ 5 phút) bằng 1/2 tốc độ tăng giảm nhiệt độ trung bình chung.

Tốc độ gió

Theo các tiêu chuẩn có liên quan, tốc độ gió trong buồng nhiệt độ và độ ẩm phải nhỏ hơn 1,7m/giây trong quá trình thử nghiệm môi trường. Đối với bản thân thử nghiệm, tốc độ gió càng nhỏ càng tốt. Nếu tốc độ gió quá cao, nó sẽ đẩy nhanh quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt của mẫu thử và dòng chảy trong buồng, điều này gây bất lợi cho tính xác thực của thử nghiệm. Tuy nhiên, để đảm bảo tính đồng nhất trong buồng của buồng thử nghiệm, cần phải có không khí lưu thông trong buồng thử nghiệm. Tuy nhiên, đối với buồng thử nghiệm thay đổi nhiệt độ nhanh và buồng thử nghiệm môi trường toàn diện nhiều yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, độ rung và các yếu tố khác, để theo đuổi tốc độ thay đổi nhiệt độ, tốc độ dòng chảy của không khí lưu thông trong buồng phải được tăng tốc và tốc độ gió thường là 2 ~ 3 m/giây. Do đó, giới hạn tốc độ gió khác nhau cho các mục đích khác nhau.

Biến động nhiệt độ

Biến động nhiệt độ là một thông số tương đối dễ nhận biết. Hầu hết các buồng thử nghiệm do tất cả các nhà sản xuất thiết bị thử nghiệm môi trường sản xuất đều thực sựBiến động nhiệt độ có thể được kiểm soát trong phạm vi ± 0,3 ℃.

Tính đồng nhất của trường nhiệt độ

Để mô phỏng chính xác hơn các điều kiện môi trường thực tế của sản phẩm trong tự nhiên, cần phải đảm bảo rằng

Môi trường xung quanh có cùng nhiệt độ.

Do đó, việc thiết lập độ dốc nhiệt độ và biên độ nhiệt độ thử nghiệm đáp ứng tiêu chuẩn là rất quan trọng.

Kiểm soát độ ẩm

Độ ẩm trong buồng thử nghiệm môi trường chủ yếu được đo bằng phương pháp bóng ướt và khô. Tiêu chuẩn sản xuất của thiết bị thử nghiệm môi trường yêu cầu độ lệch độ ẩm phải là ± 23% RH. Để đáp ứng yêu cầu về độ chính xác kiểm soát độ ẩm, độ chính xác kiểm soát nhiệt độ của buồng thử nghiệm độ ẩm phải cao và độ dao động nhiệt độ thường nhỏ hơn ± 0,2 ℃. Nếu không, rất khó để đáp ứng yêu cầu về độ chính xác kiểm soát độ ẩm.

Làm mát

Nếu buồng thử nghiệm được trang bị hệ thống làm lạnh, hệ thống làm lạnh cần được làm mát. Buồng thử nghiệm có hai loại làm mát bằng không khí và làm mát bằng nước.

Thử nghiệm ngắn mạch

Tiêu chuẩn yêu cầu: kiểm tra ngắn mạch pin bao gồm kiểm tra ngắn mạch đơn và kiểm tra ngắn mạch mô-đun. Ngắn mạch bên ngoài của pin đơn là 10 phút và điện trở ngắn mạch bên ngoài không lớn hơn 5 m Ω; Trong quá trình kiểm tra ngắn mạch của pin lưu trữ, không được xảy ra nổ hoặc cháy.

Phân tích và nghiên cứu kết quả thử nghiệm: trong quá trình thử nghiệm ngắn mạch của pin nguồn đơn, điện trở ngắn mạch bên ngoài là 2,7 m Ω, dòng điện ngắn mạch lớn và một lượng lớn khí được đẩy ra khỏi van an toàn với chất điện phân. Dòng điện ngắn mạch của mô-đun gấp nhiều lần dòng điện ngắn mạch đơn (dòng điện ngắn mạch 100 Ah gần 4000 A). Pin nguồn phản ứng dữ dội hơn, giải phóng một lượng nhiệt lớn làm tan chảy vỏ nhựa của pin nguồn, gây biến dạng nghiêm trọng. Quá trình cháy thường xảy ra trong quá trình ngắn mạch của mô-đun, chủ yếu là do một số lý do: vật liệu cách điện của bộ phận kết nối kim loại giữa các pin đơn không đủ khả năng chống cháy, xảy ra cháy ở nhiệt độ cao, làm cháy pin nguồn;

Vật liệu cách điện của vỏ nhựa của pin không đủ cấp độ chống cháy, cháy ở nhiệt độ cao và làm cháy pin điện: van an toàn được đặt quá chặt và lượng nhiệt lớn do pin tạo ra trong quá trình đoản mạch không thể giải phóng kịp thời, dẫn đến nhiệt độ tăng cao, dẫn đến nổ, hỏa hoạn và các hiện tượng khác của pin: chất điện phân là chất lỏng dễ cháy, dễ cháy ở nhiệt độ cao và chất chống cháy thích hợp được thêm vào, Nó có thể cải thiện tính an toàn của pin điện (hiệu suất của pin điện có chất chống cháy sẽ giảm) và việc bổ sung chất chống cháy phải phù hợp. Nếu pin vẫn bị cháy nổ sau khi các vấn đề trên được loại bỏ trong quá trình thử nghiệm, thì phải tiến hành phân tích sâu về các nguyên nhân sâu xa như chất điện phân, vật liệu điện cực và công thức.

Các vấn đề hiện tại và đề xuất: Nên tiến hành bảo vệ quá dòng phần cứng (PTC) cho từng ắc quy đơn (chủ yếu là ắc quy dung lượng nhỏ hình trụ): trong trường hợp đoản mạch, dòng điện quá lớn, mạch sẽ tự động ngắt, sau khi nhiệt độ ắc quy phục hồi, mạch sẽ tự động kết nối để bảo vệ ắc quy. Đối với ắc quy nhiều lớp, nên thêm cầu chì giữa nhiều ắc quy.

Hiện nay, các hạng mục kiểm tra an toàn pin điện được quy định trong các tiêu chuẩn bắt buộc quốc tế là các hạng mục kiểm tra thường xuyên. Do công nghệ pin điện liên tục phát triển, cần phải nghiên cứu và khám phá sâu hơn. Do đó, một số doanh nghiệp đưa ra các yêu cầu kiểm tra cao hơn cho sản phẩm của mình trong quá trình sản xuất, chẳng hạn như thử nghiệm ngâm, cháy, bắn, rung và các thử nghiệm R&D khác.

Thử nghiệm ngâm nước

Phương pháp thử nghiệm: đặt mô-đun pin đã sạc đầy vào nước muối để thử nghiệm xả (độ sâu của nước, nồng độ nước muối và dòng xả sẽ do doanh nghiệp đề xuất). Trong quá trình thử nghiệm, không được xảy ra nổ hoặc cháy.

Phân tích kết quả thử nghiệm: Mục thử nghiệm này chủ yếu mô phỏng tình huống xe điện lội nước hoặc pin điện bị ngập do thiên tai lũ lụt. Khi pin bị ngâm trong nước, các yêu cầu cao hơn được đưa ra đối với mức độ bảo vệ của pin. Nếu khả năng bảo vệ của pin kém, nước vào pin sẽ gây đoản mạch pin: van an toàn và điện cực là các bộ phận yếu. Khi nước muối được ngâm trong pin, gây đoản mạch, pin sẽ giải phóng rất nhiều nhiệt và khí, điều này sẽ khiến nước muối tạo ra nhiều bọt khí hoặc thậm chí sôi.

Thử nghiệm cháy

Phương pháp thử nghiệm: đặt mô-đun pin đã sạc đầy vào lửa và đốt cháy (cường độ cháy và thời gian cháy do doanh nghiệp đề xuất). Trong quá trình thử nghiệm, không được xảy ra hiện tượng nổ hoặc cháy.

Phân tích kết quả thử nghiệm Mục thử nghiệm này chủ yếu mô phỏng quá trình cháy của xe do điều kiện bất thường và pin điện đang trong ngọn lửa. Nếu pin điện phát nổ hoặc bắt lửa, nó sẽ làm tăng cường quá trình cháy của xe, gây ra mối đe dọa lớn hơn đối với sự an toàn của hành khách. Trong thử nghiệm, do nhiệt độ bên ngoài của pin điện cao, các yêu cầu cao hơn được đưa ra đối với khả năng chống cháy của vỏ pin điện và khả năng chống cháy của dung dịch.

Kiểm tra bắn súng

Phương pháp thử nghiệm: đặt mô-đun pin đã sạc đầy theo chiều thẳng đứng để thử nghiệm xả và bắn bằng súng theo hướng vuông góc với tấm điện cực (dòng điện xả, vị trí bắn và thời gian bắn sẽ do doanh nghiệp cung cấp). Trong quá trình thử nghiệm, không được xảy ra nổ hoặc cháy.

Phân tích kết quả thử nghiệm: Mục thử nghiệm này chủ yếu mô phỏng viên đạn bắn trúng ắc quy điện của xe điện đang di chuyển trong những trường hợp bất thường như tấn công khủng bố. Viên đạn bắn vào ắc quy điện sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch bên trong ắc quy, giải phóng rất nhiều khói và nhiệt. Nếu nhiệt không được giải phóng kịp thời, có thể kèm theo hiện tượng cháy, nổ và các hiện tượng khác.

Thử nghiệm rung

Phương pháp thử nghiệm: cố định mô-đun pin đã sạc đầy trên bàn rung theo trạng thái thực tế của xe để xả (điều kiện rung và dòng điện xả sẽ do doanh nghiệp cung cấp). Trong quá trình thử nghiệm, không được xảy ra nổ hoặc cháy.

Phân tích kết quả thử nghiệm: Mục thử nghiệm này chủ yếu mô phỏng rung động do xe cộ di chuyển trên các cung đường khác nhau tạo ra. Trong điều kiện rung động, các chất hoạt động trên cực ắc quy có thể rơi ra, điện cực ắc quy, điểm tiếp xúc hàn điểm, vấu, dây điện bên ngoài, mối hàn, v.v. có thể bị đứt và rơi ra, do đó gây ra hiện tượng đoản mạch bên ngoài hoặc bên trong ắc quy.

Với số lượng xe ngày càng tăng trên thế giới, các vấn đề ô nhiễm môi trường và thiếu trách nhiệm đối với tài nguyên dầu mỏ đang ngày càng trở nên nổi cộm. Vì những ưu điểm về bảo vệ môi trường xanh, đa dạng hóa các nguồn năng lượng và hiệu suất năng lượng cao, tất cả các quốc gia trên thế giới đang tích cực nghiên cứu và phát triển các loại xe điện có thể thay thế các loại xe truyền thống. Hiện nay, pin điện cho xe điện bao gồm pin axit chì, pin lithium-ion và pin kẽm không khí. Trong số đó, pin lithium-ion là loại pin hiệu suất cao mới nhất được nghiên cứu và thương mại hóa nhanh nhất. Nó đã được sử dụng rộng rãi trong pin điện cho xe điện vì điện áp cao, năng lượng riêng cao và hiệu suất chu kỳ tốt; Tuy nhiên, do các tai nạn an toàn thường xuyên xảy ra trong quá trình sử dụng thực tế nên vấn đề an toàn của nó ngày càng được chú ý nhiều hơn.

Hiện nay, có hai dạng pin năng lượng. Một là pin dung lượng nhỏ được kết nối song song để tạo thành pin dung lượng lớn. Ưu điểm là dự trữ năng lượng của đơn vị lưu trữ năng lượng nhỏ nhất (cell đơn) là nhỏ. Nếu xảy ra cháy nổ, hậu quả tương đối nhẹ. Năng lượng nổ của nó sẽ không gây ra phản ứng dây chuyền và các đơn vị lưu trữ năng lượng khác sẽ không phát nổ. Nhược điểm là số lượng đơn vị lưu trữ năng lượng nhỏ nhất quá lớn và khó quản lý. Loại còn lại là pin nhiều lớp dung lượng cao, có ưu điểm là cấu trúc nhỏ gọn, thể tích nhỏ và mật độ năng lượng cao. Nhược điểm là lưu trữ năng lượng đơn lớn và hậu quả của tai nạn tương đối nặng. Theo hình thức đóng gói của nó, nó có thể được chia thành “gói mềm” và “vỏ cứng”. Ưu điểm của “bao bì linh hoạt” là trong trường hợp điều kiện bất thường, nó sẽ giãn nở đến mức bao bì bên ngoài bị vỡ, không dễ gây ra tai nạn như nổ; nhược điểm là vỏ yếu. Các vật sắc nhọn có thể dễ dàng xuyên qua pin. Nhược điểm của “vỏ cứng” là dễ nổ khi gặp điều kiện bất thường so với “gói mềm”; Ưu điểm là vỏ tương đối chắc chắn, vật sắc nhọn không dễ xuyên thủng, pin điện được bảo vệ tốt hơn.

Tiêu chuẩn quy định rằng các thử nghiệm an toàn bao gồm: xả quá mức, sạc quá mức, đoản mạch, rơi, gia nhiệt, đùn và châm cứu. Sau một số lượng lớn các thử nghiệm và thống kê, tỷ lệ đủ điều kiện thử nghiệm an toàn của pin có dung lượng dưới 30 Ah là cao và các vấn đề trên 30 Ah chủ yếu tập trung ở các hạng mục thử nghiệm như đoản mạch mô-đun, đùn mô-đun, châm cứu mô-đun, v.v. Ngoài các hạng mục kiểm tra bắt buộc nêu trên, các doanh nghiệp cũng có thể tiến hành thử nghiệm ngâm R & D, thử nghiệm cháy, bắn, xả trong rung động và các thử nghiệm khác theo nhu cầu sản phẩm của riêng mình.

Dựa trên số lượng lớn các thử nghiệm an toàn pin điện, quá trình thử nghiệm và kết quả đã được phân tích và nghiên cứu. Các mẫu thử nghiệm bao gồm monome và mô-đun (năm hoặc nhiều monome được kết nối theo chuỗi và mô-đun được giới thiệu trong bài báo này bao gồm năm monome nối tiếp).

1. Thử nghiệm độ nghiền

Yêu cầu tiêu chuẩn: thử nghiệm đùn bao gồm đùn đơn và đùn mô-đun. Đùn đơn yêu cầu áp lực phải được áp dụng vuông góc với tấm điện cực pin và diện tích đầu đùn không được nhỏ hơn 20 cm cho đến khi vỏ pin bị vỡ hoặc ngắn mạch bên trong (điện áp pin trở thành 0 V); Trong quá trình thử nghiệm đùn các ô pin, không được xảy ra nổ và cháy. Đùn mô-đun yêu cầu áp lực phải được áp dụng vuông góc với hướng sắp xếp ô pin. Đầu đùn có kích thước đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn phải được đùn đến 85% kích thước ban đầu của mô-đun pin trong 5 phút và sau đó đến 50% kích thước ban đầu của mô-đun pin. Trong quá trình thử nghiệm đùn mô-đun pin, không được xảy ra nổ và cháy.

Phân tích và nghiên cứu kết quả thử nghiệm: thử nghiệm kết thúc khi cell pin bị đùn ra do vỏ pin bị vỡ hoặc đoản mạch bên trong. Trong quá trình thử nghiệm, các thiết bị giám sát như camera được sử dụng để phát hiện vỏ pin có bị vỡ không và thiết bị phát hiện điện áp được sử dụng để theo dõi điện áp pin có phải là 0 V hay không. Hầu hết các loại pin đơn lẻ sẽ không phát nổ hoặc bắt lửa khi bị bóp, và một số pin sẽ bị cháy. Các điều kiện cuối cùng của thử nghiệm mô-đun pin trong quá trình đùn tương đối khắc nghiệt. Trong quá trình đùn, mô-đun pin bị nén ở một diện tích lớn, dẫn đến đoản mạch diện tích lớn bên trong pin. Mô-đun pin đi kèm với khói mạnh, chất điện phân bị đẩy ra khỏi van an toàn, xảy ra nổ và cháy. Các mô-đun pin khác nhau có các giai đoạn nổ và cháy khác nhau. Ở một số doanh nghiệp, van an toàn của pin được đặt quá chặt. Khi mô-đun pin bị đoản mạch, nó không thể giải phóng nhiệt kịp thời, dẫn đến nhiệt độ tăng nhanh và nhiệt độ tăng nhanh. Đây là một trong những nguyên nhân gây ra nổ và cháy pin.

2. Thử nghiệm độ đâm xuyên

Tiêu chuẩn yêu cầu: thử nghiệm đâm kim bao gồm châm cứu tế bào đơn và châm cứu mô-đun. Kim đơn phải vuông góc với hướng của tấm pin, đường kính kim phải là Φ 3 ~ 8 mm tốc độ 10 ~ 40 mm / s, kim đâm xuyên qua cell pin; Pin không được nổ hoặc bắt lửa trong quá trình thử nghiệm châm kim. Châm kim của mô-đun pin phải vuông góc với hướng của tấm điện cực pin, đường kính kim phải là 3 ~ 8 mm, tốc độ phải là 10 ~ 40 mm / s và mức độ châm kim phải xuyên qua ít nhất ba cell pin: trong quá trình thử nghiệm châm kim của mô-đun pin, không được xảy ra nổ và cháy.

Phân tích và nghiên cứu kết quả thử nghiệm: đường kính Ф Một kim thép 5 mm dài 350 mm được đưa vào pin với tốc độ 20 mm / s. khi kim thép được đưa vào pin, có một mạch ngắn bên trong pin và một lượng lớn khói và chất điện phân được giải phóng từ van an toàn và vị trí cắm kim. Nhiệt giải phóng sẽ khiến vỏ pin giãn nở và biến dạng, thậm chí làm tan chảy một phần vỏ nhựa. Do chất điện phân bị rò rỉ trong quá trình thử nghiệm, nhiệt bên trong sinh ra trong quá trình ngắn mạch của pin là cực kỳ cao, và ngay cả kim thép đâm thủng cũng sẽ tan chảy. Nếu cấp độ chống cháy của vật liệu được sử dụng cho vỏ không đủ, nó có thể gây ra sự cháy và ngọn lửa hở sẽ đốt cháy chất điện phân để làm trầm trọng thêm sự cháy. Không thể rút pin ra ngay sau khi kim bị đục, và nó phải được giữ trong pin. Nếu rút ra ngay lập tức, kim sẽ được rút ra sau khi pin phục hồi nhiệt độ bình thường vì pin phản ứng dữ dội và oxy đi vào nơi kim bị đục, điều này sẽ dễ gây ra sự cháy.

Thiết bị xuyên thấu của cơ chế đâm vào pin từ trên xuống dưới. Do trạng thái đặt pin trong thử nghiệm không nhất quán với trạng thái tải thực tế nên tiêu chuẩn chỉ quy định châm cứu tấm cực dọc, không chỉ định hướng đặt. Châm cứu ngang là trạng thái tải thực tế. Kết quả châm cứu ngang và châm cứu dọc có nhất quán hay không cần phải thực hiện rất nhiều thử nghiệm để xác minh. Khuyến nghị hướng châm cứu của pin phải nhất quán với trạng thái tải thực tế.

Các thử nghiệm an toàn nêu trên như đoản mạch, đùn và châm cứu chủ yếu là để mô phỏng tình huống có thể xảy ra của ắc quy điện trong những trường hợp bất thường như tai nạn ô tô khi xe điện đang di chuyển với tốc độ cao. Hiện tại, ắc quy điện trong xe điện được chia thành nhiều hộp nhỏ và được lắp đặt ở các vị trí khác nhau của xe. Mỗi hộp nhỏ được kết nối bằng dây. Để ngăn ngừa đoản mạch, cầu chì có thể được kết nối nối tiếp giữa một số nhóm ứng dụng. Hệ thống quản lý ắc quy (BMS) thu thập điện áp bất thường và cảnh báo người lái xe bằng âm thanh và đèn trên thiết bị của xe điện. Để ngăn ắc quy bị ép trong quá trình va chạm và lăn bánh của xe, hộp ắc quy cần phải chắc chắn và tản nhiệt tốt. Độ bền kết cấu của thân xe nơi lắp hộp ắc quy phải cao hoặc phải có biện pháp bảo vệ đặc biệt.

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp điện tử, tất cả các loại sản phẩm điện tử và sản phẩm điện đã dần trở thành công cụ không thể thiếu để mọi người sử dụng, và pin liên quan chặt chẽ đến chúng đã dần thu hút sự chú ý của mọi người. Trong số đó, sự an toàn của chính pin là trọng tâm của sự chú ý. Một loại pin có nguy cơ an toàn tiềm ẩn sẽ trở thành quả bom hẹn giờ xung quanh mọi người bất cứ lúc nào, gây nguy hiểm cho tính mạng của mọi người. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự an toàn của pin và nhiệt độ cao và áp suất cao sinh ra trong pin có liên quan trực tiếp đến các yếu tố sinh nhiệt. Có nhiều yếu tố sinh nhiệt. Một thử nghiệm va đập nhất định sẽ sinh ra nhiệt bên trong pin và nó cũng có thể phát hiện khả năng chống va đập của pin và trạng thái ổn định sau đó của pin. Do đó, thử nghiệm va đập mạnh là một mục thử nghiệm quan trọng trong việc phát hiện an toàn của pin.

1. Tiêu chuẩn thử nghiệm

Trong quá trình thử nghiệm an toàn pin, UL 1642, UN 38.3, IEC 62133-2012, SJ / T 11169-1998, YD 1268-2003, SJ / T 11170-1998 và các tiêu chuẩn thử nghiệm khác có các yêu cầu thử nghiệm cụ thể khác nhau đối với thử nghiệm khả năng chống va đập của pin, nhưng nguyên tắc cơ bản là giống nhau. Hai búa thử nghiệm va đập nặng (lần lượt là 10 kg và 91 kg) chủ yếu được sử dụng để tiến hành thử nghiệm va đập rơi tự do vào pin.

Sau khi pin được sạc đầy theo phương pháp thử nghiệm được chỉ định trong tiêu chuẩn, pin được đặt trên bề mặt của bệ, và thanh kim loại có đường kính 158 + 0,2 mm hoặc 8 mm được đặt trên bề mặt trên của tâm hình học của pin. Một vật nặng có khối lượng 9,1 + 0,1 kg hoặc 10 kg được sử dụng để tác động vào bề mặt của pin bằng thanh kim loại từ độ cao 610 mm ± 25 mm và quan sát xem nó có phát nổ không.

Thử nghiệm va đập mạnh có hai ý nghĩa. Một là năng lượng tiềm tàng của búa 9,1 kg từ độ cao 610 mm được chuyển thành động năng sau khi rơi tự do và tác dụng vào pin, tức là thanh tròn có đường kính 158 mm sẽ đập vào pin ngay lập tức sau khi đạt được động năng, và các mảnh điện cực dương và âm bên trong pin sẽ bị ép ngay lập tức. Nếu bộ tách không thể cô lập hiệu quả các điện cực dương và âm tại thời điểm này, nó sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch ở các điện cực dương và âm, điều này sẽ kích hoạt phản ứng tỏa nhiệt bên trong pin, do đó gây ra sự mất an toàn. Một ý nghĩa khác là để kiểm tra xem pin có bị biến dạng không.

Trọng lượng của búa nặng trong mỗi tiêu chuẩn chủ yếu là 9,1 kg, chỉ có tiêu chuẩn YD 1268 là 10 kg. Chiều cao va chạm cũng là rơi tự do từ độ cao 610 mm, đường kính của thanh kim loại khoảng 158 hoặc 79 mm. Thời gian quan sát thường là 6 giờ.

2. Yêu cầu thiết kế

Các yêu cầu thiết kế của máy thử nghiệm va đập mạnh bao gồm các điểm sau:

Đầu tiên, quá trình va chạm sẽ loại bỏ lực cản của dây thừng, độ chính xác của chiều cao nâng sẽ loại bỏ lực cản của dây thừng;

Thứ hai, thiết bị điện từ hút, nâng búa nặng, chiều cao nâng của búa nặng có thể kiểm soát được và hoạt động điều khiển từ xa, v.v.

Thứ ba, thiết bị bảo vệ an toàn, chức năng chống cháy nổ, thiết bị xả khói tự động, v.v. Vì tác động của vật nặng chủ yếu là để quan sát xem pin lithium có phát nổ hay không, nên dễ gây ra thương tích do nổ trong quá trình thử nghiệm. Do đó, cần thiết kế chức năng chống cháy nổ và quan sát; Thứ tư, hệ thống yêu cầu thành phần đơn giản, chi phí thấp và phổ biến tốt.

3. Thiết kế và sơ đồ kỹ thuật

Trong quá trình thử nghiệm va đập mạnh vào pin, cần phải nâng một vật nặng nhất định lên một độ cao nhất định. Sau khi thực hiện một loạt các quá trình như tách nhanh, rơi tự do và va chạm thẳng, hiện tượng thay đổi của pin sau khi va chạm được quan sát để xác định hiệu suất an toàn của pin.

Thiết bị kiểm tra va chạm vật nặng truyền thống chủ yếu được hoàn thành bằng lực kéo của dây thừng. Vật nặng được nâng lên một độ cao nhất định bằng lực kéo của động cơ, sau đó dây kéo được ngắt kết nối nhanh chóng. Vật nặng rơi tương đối tự do với dây kéo để tác động vào pin. Máy kiểm tra va chạm vật nặng mới sử dụng nam châm điện để hấp thụ vật nặng, nâng vật nặng thông qua thanh vít, sau đó cắt nguồn điện để khử từ, để vật nặng có thể nhanh chóng tách ra và rơi hoàn toàn xuống để tác động vào mẫu pin.

3.1 Cấu trúc và nguyên tắc thử nghiệm

Thân máy chủ bao gồm khung, hộp, hộp điều khiển và các bộ phận nâng. Hộp được làm bằng vật liệu chống cháy nổ và cửa sổ quan sát được để lại trên cửa chống cháy nổ phía trước. Giá đỡ bao gồm tấm đáy, tấm đỉnh và thanh dẫn hướng nâng, và tấm đỉnh được cố định phía trên tấm đáy thông qua thanh dẫn hướng nâng: tấm đáy được cung cấp một bộ phận đặt để đặt pin cần thử nghiệm; hộp được cung cấp một trọng lượng để thử nghiệm tác động của pin và cụm thử nghiệm được lắp trên giá đỡ để hút và nhả trọng lượng được cung cấp một trọng lượng, Một cụm nâng được bố trí phía trên cụm thử nghiệm và một cụm nắn thẳng được bố trí phía trên ống đặt ở phía dưới giá đỡ: cụm nâng được lắp ở phía trên giá đỡ; cụm thử nghiệm được bố trí giữa cụm nâng và cụm nắn thẳng, và chuyển động lên xuống của cụm này được điều khiển bởi cụm nâng; Cụm thử nghiệm, cụm nâng và cụm dương đều được kết nối với hộp điều khiển và được điều khiển bởi hộp điều khiển.

Máy kiểm tra sử dụng điện và áp suất không khí làm nguồn điện, phòng thí nghiệm thường có nguồn điện và không khí. Sử dụng điện và không khí làm nguồn điện có thể giảm chi phí và bảo vệ môi trường.

Quy trình vận hành cụ thể như sau: nhấn nút hút, trọng lượng sẽ được nam châm điện hút, nhấn nút nâng, trọng lượng sẽ được nâng lên độ cao quy định, nhấn nút “thả” trên bảng điều khiển, nam châm điện sẽ tắt nguồn và trọng lượng sẽ được thả: trọng lượng sẽ rơi tự do vào khu vực thử nghiệm, lúc này, trọng lượng sẽ nghiêng và không thể hút lại được, và cần phải nhấn nút “xe thẳng đứng”, Nhấn nút “xuống” trên bảng điều khiển để hạ cấu trúc nâng xuống độ cao có thể hút trọng lượng. Sau đó nhấn nút “hút” một lần nữa, bàn là điện từ sẽ được cấp điện và trọng lượng sẽ được hút lại để thử nghiệm.

3.2 Thiết kế an toàn

(1)Thiết bị an toàn chống rơi ra ngoài búa tạ. Khi xác nhận búa nặng đã được hút, kẹp an toàn sẽ được kẹp để ngăn búa nặng rơi ra ngoài một cách tình cờ trong trường hợp mất điện đột ngột hoặc các điều kiện không chuẩn bị khác.

(2) Thiết kế bảo vệ giới hạn của công tắc tiệm cận và công tắc hành trình. Khi chiều cao của búa tăng lên đến chiều cao quy định, nó sẽ tự động dừng lại khi chạm vào công tắc tiệm cận. Chiều cao va chạm được xác định bằng cách điều chỉnh vị trí của công tắc tiệm cận. Nếu chiều cao nâng quá cao, thiết bị nâng sẽ nhấn công tắc hành trình trên thiết bị, sau đó thiết bị nâng sẽ dừng lại để bảo vệ động cơ.

3.3 Điểm cải tiến của thiết bị

Các điểm cải tiến bao gồm hai khía cạnh sau: một mặt, máy kiểm tra va chạm vật nặng mới có các đặc điểm của “điện từ”, “kéo không dây” và “tự động thiết lập lại”;

Mặt khác, hệ thống có thể được kẹp bằng kẹp an toàn khí nén để ngăn búa rơi ra trong trường hợp mất điện đột ngột.

4.Kết luận

Sau khi thiết bị được chế tạo, tính tiện lợi và độ chính xác của thử nghiệm va chạm trọng lượng pin có thể được cải thiện hơn nữa. Khi thiết bị được thiết kế, mối nguy hiểm trong quá trình thử nghiệm pin được xem xét đầy đủ. Do đó, sự an toàn của thiết bị là trọng tâm của thiết kế này. Thiết bị áp dụng bảo vệ an toàn theo nhiều phương pháp, với cấu trúc đơn giản, công nghệ xử lý đơn giản và vận hành dễ dàng. Thiết bị này đã được cấp bằng sáng chế và thử nghiệm va chạm trong quá trình phát hiện thực tế đã chứng minh rằng nó có tính thực tiễn mạnh mẽ và có giá trị tham chiếu tốt trong kiểm tra và ứng dụng cơ học.