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Chris
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Die Mehrzahl der Batterien sind Lithium-Ionen-Batterien
Windkraftanlagen, Solarfarmen, Microgrids, Rechenzentren und Telekommunikationseinrichtungen haben zumindest eine Gemeinsamkeit: Sie basieren auf Batteriespeichersystemen (BESS), die aus Tausenden von Lithium-Ionen-Batterien bestehen.
Lithium-Ionen-Batterien bieten zwar zahlreiche Vorteile, haben aber auch einige Nachteile. Zum einen erfordern Lithium-Ionen-Batteriespeichersysteme komplexe Batteriemanagementsysteme (BMS), um sichere Betriebsparameter für Spannung, Temperatur und Ladung zu gewährleisten. Eine unsachgemäße Verwaltung oder ein Missbrauch der Batterien kann zu Ausfällen führen, die eine Entlüftung oder Überhitzung zur Folge haben. Wenn eine Batterie Feuer fängt (thermisches Durchgehen), kann sich dies schnell zu einem katastrophalen Brand ausweiten und sogar zu Explosionen führen. Solche Brände sind extrem schwer zu löschen und können sich in einem Dominoeffekt schnell auf benachbarte Batterien ausbreiten.
Was ist thermisches Durchgehen der Batterie?
Thermisches Durchgehen der Batterie bezieht sich auf eine kumulative Verstärkung des Stroms und der Batterietemperatur während des Ladens mit konstanter Spannung, was zu einer allmählichen Schädigung der Batterie führt. In typischen Batterien kann der Sauerstoff, der während des Ladevorgangs an der positiven Elektrode entsteht, die negative Elektrode nicht erreichen, da es keine mit Flüssigkeit gefüllten Zwischenräume zwischen der positiven und der negativen Platte gibt, was dazu führt, dass Wasserstoff entsteht und Sauerstoff aus der Batterie entweicht.
Ursache des thermischen Durchgehens der Batterie
Die Gründe für ein thermisches Durchgehen der Batterie liegen in einer unzureichenden Batterieauswahl und einem unzureichenden thermischen Design oder in externen Faktoren wie Kurzschlüssen, die zu erhöhten Batterietemperaturen führen, losen Kabelverbindungen usw. Die Lösung sollte sowohl das Batteriedesign als auch das Batteriemanagement betreffen.
Ein durch Überladung ausgelöster thermischer Durchschlag tritt insbesondere dann auf, wenn das Batteriemanagementsystem selbst keine Sicherheitsschaltungen für Überladung aufweist, so dass das BMS der Batterie die Kontrolle verliert, während sie noch geladen wird.
Interne Kurzschlüsse können ebenfalls zu einem thermischen Durchgehen führen, und Verunreinigungen bei der Herstellung der Batterie, Metallpartikel, Ausdehnung und Kontraktion während der Lade-/Entladezyklen, Lithiumbeschichtung usw. können potenziell interne Kurzschlüsse verursachen. Diese internen Kurzschlüsse entwickeln sich langsam, über einen sehr langen Zeitraum, und es ist nicht vorhersehbar, wann sie zu einem thermischen Durchgehen führen können.
Außerdem sind Kollisionen ein typischer mechanischer Auslöser für thermisches Durchgehen. Bei Tesla beispielsweise kam es aus diesem Grund bereits mehrfach zu Brandfällen. Experten haben enthüllt, dass eine gemeinsame Analyse der Kollisionsunfälle von Tesla in den Vereinigten Staaten in Zusammenarbeit mit der Tsinghua-Universität und dem MIT durchgeführt wurde. Bei der Simulation von Kollisionen im Labor ist die nächstliegende Analogie eine Reifenpanne.
Thermisches Durchgehen der Batterie erkennen
Die neue chinesische Technologie hat hochpräzise, multimodale, integrierte Glasfasersensoren entwickelt, die in Batterien implantiert werden können, und leistet damit Pionierarbeit bei der genauen Analyse und Frühwarnung des gesamten Prozesses des thermischen Durchgehens kommerzieller Batterien.
Durch die Identifizierung der charakteristischen Wendepunkte und gemeinsamen Muster in der Kettenreaktion, die das thermische Durchgehen von Batterien auslöst, hat sie eine präzise Unterscheidung der internen mikroskopischen "irreversiblen Reaktionen" in Batterien ermöglicht. Dies stellt ein wichtiges Mittel dar, um die Kettenreaktion des thermischen Durchgehens von Batterien schnell zu unterbrechen und den sicheren Betrieb von Batterien innerhalb ihres vorgesehenen Bereichs zu gewährleisten.
Angesichts der geringen Größe, der flexiblen Form, der Widerstandsfähigkeit gegen elektrische Störungen und der Fernbedienungsmöglichkeiten von Glasfasersensoren sowie der Eignung für die Massenproduktion mit Standardherstellungsverfahren wird es in Zukunft möglich sein, verschiedene kritische Parameter wie Temperatur, Druck, Brechungsindex, Gaszusammensetzung und Ionenkonzentration an mehreren Stellen innerhalb der Batterie mit einer einzigen Glasfaser gleichzeitig zu überwachen.
Verhinderung des thermischen Durchgehens der Batterie
Auf Basis der einzelnen Batterien
Aus der Sicht des Batteriematerialdesigns können Materialien entwickelt werden, die ein thermisches Durchgehen verhindern und die Reaktionen, die zu einem solchen führen, hemmen. Aus der Sicht des Batteriemanagements können verschiedene Temperaturbereiche vorhergesagt werden, um verschiedene Sicherheitsstufen zu definieren, die ein abgestuftes Warnsystem ermöglichen.
🔔Durch die Alterung der Batterien kommt es zu einer schlechten Batteriekonsistenz und zu Überladungen. Durch die Verwendung der Kombinationsmethode "erst parallel, dann in Reihe" für Akkupacks, um individuelle Konsistenzprobleme zu beheben, haben sie die gleiche Kapazität wie die kleinste Einzelzelle. Durch diese Konsistenz wird die Kapazität wiederhergestellt und eine Überladung verhindert.
Identifizieren Sie seriöse Batteriehersteller, wählen Sie Batterie- und Zellkapazitäten aus, führen Sie Sicherheitsprognosen für interne Kurzschlüsse durch und identifizieren Sie proaktiv einzelne Zellen mit internen Kurzschlüssen, bevor es zu einem thermischen Durchgehen kommt.
Konstruieren Sie ein thermoelektrisches Kopplungsmodell, um die Ausbreitung der Batteriewärme zu verhindern, und verwenden Sie Isolierschichten zur Blockierung und Unterdrückung.
Auf der Ebene der Batterieeinheit
Bei Batterieeinheiten wird ein größerer Schwerpunkt auf innovative Wärmemanagementlösungen gelegt, die auf verschiedene Anwendungsszenarien zugeschnitten sind, um ein thermisches Durchgehen der Batterie zu verhindern. Der erste Aspekt ist das thermische Design (das Folgendes umfasst)
🔔Bestimmung der Ziele und Anforderungen an das Wärmemanagementsystem
Messen oder schätzen Sie die Wärmeerzeugung und Wärmekapazität der Module.
🔔Erstbewertung des Wärmemanagementsystems (einschließlich der Auswahl der Wärmeübertragungsmedien, der Auslegung der Wärmeableitungsstrukturen usw.).
🔔Vorhersage des thermischen Verhaltens von Modulen und Akkupacks.
🔔Initialer Entwurf des Wärmemanagementsystems für.
🔔 Entwickeln Sie das Wärmemanagementsystem und führen Sie Versuche durch.
🔔Optimierung des Wärmemanagementsystems.
Eine kurze Analyse der derzeit gängigen Wärmeaustauschmethoden:
Die Luftkühlung ist eine Methode, bei der Luft über die Oberfläche des Akkus geleitet wird, um die Wärme abzuführen und ein thermisches Durchgehen des Akkus zu verhindern. Mild-Hybrid-Autos wie der Prius und der Insight in Japan verwenden beispielsweise sowohl serielle als auch parallele Belüftungsmethoden, um Wärme von der Oberfläche der Antriebsbatterie abzuleiten.
Luftgestützte Wärmemanagementsysteme für Leistungsbatterien sind zwar kostengünstig und relativ einfach zu implementieren, stehen jedoch vor der Herausforderung, die Anforderungen an die Wärmeableitung von Leistungsbatterien in Szenarien zu erfüllen, in denen eine große Anzahl von Batterien, begrenzter Platz, ein hoher Stromverbrauch, raue Betriebsbedingungen (z. B. beim Klettern oder Bremsen) und Missbrauch (Überladung, Überentladung, Überhitzung, Überstrom usw.) eine Rolle spielen.
👉Wärmeübertragung über Wärmerohre - dieser Ansatz wird auch verwendet, um ein thermisches Durchgehen der Batterie zu verhindern. Wärmerohre können als effiziente Wärmeübertragungskomponenten schnell und effektiv Wärmeenergie zwischen zwei Objekten übertragen. In den Wärmemanagementsystemen von Elektrofahrzeugen haben viele Forscher im In- und Ausland Wärmerohre als Wärmeübertragungskomponenten für die Wärmeableitung der Leistungsbatterie eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Kühlsystemen mit erzwungener Konvektion hält das Wärmeableitungssystem mit Wärmerohren nicht nur die Leistungsbatterie innerhalb ihres normalen Betriebstemperaturbereichs, sondern gewährleistet auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den einzelnen Batteriezellen, was mit erzwungenen Kühlsystemen nicht erreicht werden kann. Wärmerohre haben jedoch den Nachteil, dass sie übermäßig schwer und voluminös sind und die Wärmeübertragung eingeschränkt ist.
👉Aufgrund der Einschränkungen der Luftkühlung und des Platzes in den Wärmerohren haben Techniken für das Wärmemanagement von Leistungsbatterien, bei denen flüssige Medien zur Kühlung verwendet werden, begonnen, in Batteriesystemen eingesetzt zu werden. Wärmemanagementsysteme für Leistungsbatterien, die flüssige Medien und erzwungene Konvektion verwenden, nutzen Geräte oder Komponenten (wie Pumpen, Flüssigkeitskühlkanäle, Ventile usw.), um das flüssige Medium zur Batterieoberfläche zu transportieren. Sie nutzen die Technologie der Strömungswärmeübertragung durch flüssige Medien, um die Batterie zu erwärmen oder zu kühlen und so sicherzustellen, dass die Batterie innerhalb des idealen Temperaturbereichs arbeitet.
Die Flüssigkeitskühlung bietet im Vergleich zur Luftkühlung eine gleichmäßigere Temperaturkontrolle für die Batterien, aber Flüssigkeitskühlsysteme sind komplexer, benötigen mehr Energie und sind anfällig für Lecks, die zu Kurzschlüssen in der Batterie führen können. Tesla verwendet zum Beispiel Serpentinenschlauch mit angeschlossenen thermischen Materialien, um ein Flüssigkeitskühlsystem um zylindrische Batterien zu bilden. Die Kühlflüssigkeit besteht aus 50% Wasser und 50% Ethylenglykol, und der Temperaturunterschied kann innerhalb von 2% geregelt werden. Um weiter Platz zu sparen und die Effizienz zu verbessern, Flüssigkeitskühlschränke haben ebenfalls begonnen, auf dem Markt Fuß zu fassen (weit verbreitet in Nutzfahrzeugen und auch in Energiespeicherbehältern).
Darüber hinaus werden bei Wärmeaustauschsystemen mit Phasenwechselmaterialien (PCM) Phasenwechselmaterialien als Wärmeübertragungsmedium verwendet, wobei ihre Fähigkeit genutzt wird, bei Phasenwechselreaktionen Batteriewärme aufzunehmen (oder abzugeben). Diese Kühltechnologie bietet eine gute Temperaturkontrolle und eine gleichmäßige Temperaturverteilung, ist aber aufgrund der Materialkosten teuer. Um die Materialbeschränkungen zu überwinden, haben einige Forscher Metallzusätze in das PCM eingebracht, z. B. dünne Aluminiumbleche, Kohlenstofffasern, Kohlenstoffnanoröhren usw., um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Das thermische Durchgehen von Batterien ist der unerwünschteste und am meisten vermiedene Sicherheitsvorfall bei Batterien. Die Verbesserung der Batteriesicherheit und die Verhinderung des thermischen Durchgehens erfordern eine kombinierte Anstrengung bei der Entwicklung der Batterierezeptur, der Struktur und des Wärmemanagements der Batteriepacks. Zusammen verbessern diese Maßnahmen die thermische Stabilität der Batterie und verringern die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Durchgehens.
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