汽车系本科生揭示过放电引发动力电池内短路机

汽车系本科生揭示过放电引发动力电池内短路机理


  清华新闻网7月30日电7月22日,清华大学汽车系大三年级本科生郭锐在《自然》子刊《科学报告》以第一作者身份发表论文《锂离子电池过放电全过程及过放电引发内短路的机理研究》,揭示了过放电引发动力电池内短路的机理。在同期在线刊出的101篇论文中,该论文为6篇期刊网站首页论文之一。汽车系欧阳明高教授为本文的通讯作者,高级工程师卢兰光、博士生冯旭宁为论文的其他作者。

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郭锐论文登上期刊网站首页。

   2015年,我国新能源汽车产销量出现爆发式增长。锂离子动力电池是当前新能源汽车的主要动力来源。但是,时有发生的锂离子动力电池起火事故,使得其安全问题受到各方广泛关注。汽车系欧阳明高教授课题组一直致力于研究动力电池的安全问题,取得了一系列重要成果,为新能源汽车行业提供了有效的动力电池安全管理技术方案。

  郭锐同学为汽车系2013级本科生,在学期间积极投身课外科技学术活动,曾加入“三角洲”工作室并参加过第十届全国大学生智能车竞赛。从本科二年级开始,郭锐同学加入欧阳明高教授课题组,在学校大学生研究训练计划项目支持下,从电化学基本原理开始学习相关知识和技能,并逐步开展动力电池内短路问题研究。在文献调研过程中,他发现很多动力电池事故均涉及电池内短路,而锂离子动力电池独有的自引发内短路由于其特征不明显,发展时间长,造成危害大,为当前动力电池安全领域的研究难题。

  为研究锂离子动力电池的自引发内短路机理,获得自引发内短路的早期特征,设计内短路的诱发实验具有重要意义。郭锐的SRT项目指导教师卢兰光介绍说:“课题组曾经发生由于过放电引发的电池冒烟事故,由此猜测过放电可能导致内短路,而在电池安全管理失效的情况下,这种情况极有可能发生,但是并未得到实验证实。”

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郭锐所在的课题组曾经发生过的过放电导致电池冒烟事故照片。

  为此,郭锐与课题组博士生一起,进一步设计了过放电诱发内短路实验,以模拟电池安全管理失效情况下,串联电池组中某一节单体电池受到持续过放电的情况。实验中郭锐发现,在过放电放出额外11%的电池容量时,该款锂离子动力电池出现电压回升的转折点;而从过放电放出额外12%的电池容量时开始,电池出现内短路现象;在额外放出20%容量时,发生严重内短路,电池报废。

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(a)锂离子动力电池持续过放电实验曲线

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(b)内短路等效电阻与过放电程度之间的对应关系

澳门新葡亰网站注册,澳门新葡亰平台官网,图为过放电诱发内短路实验结果。 

  经过电池拆解与材料特性分析发现,持续的过放电过程导致电池负极电位不断升高,当负极电位达到铜箔集流体溶解电位时,发生铜箔溶解的电化学反应。溶解的铜离子穿过隔膜到达电池正极,在低电势区还原为金属铜。逐渐沉积的金属铜从正极方向生长、挤入并最终穿过隔膜,引发电池的内部短路。研究结果为获得自引发内短路的早期特征提供了重要实验依据。论文投稿后,审稿人给予了高度评价,认为“本文所做的工作是非常基础的,而且对于帮助人们理解锂离子电池在过放电情况下出现内短路的机理具有重要的意义”。

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(a)电池极片拆解图片

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(b)过放电诱发内短路机理解释

图为过放电诱发内短路的机理分析与解释。

  由于在学术研究方面的出色表现,经过课题组推荐,郭锐获得清华大学“闯世界”计划支持,今年暑期前往英国帝国理工大学机械系格力高利·欧福尔教授课题组,就高比能量锂离子动力电池热安全管理与耐久性演化开展学术研修。未来,郭锐将在清华大学本科生学术研究推进计划支持下,继续深入研究动力电池的安全性问题。

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郭锐在帝国理工大学机械系实验室进行暑期研修。

  论文链接:

  

供稿:汽车工程系 编辑:襄桦

为新能源汽车动力电池更安全耐久保驾护航

——清华大学欧阳明高团队攻关纪实

来源:科技日报 2016-12-8 李海峰


  如今,在德国宝马公司、在郑州宇通、长安汽车等整车企业的1.9万余辆电动汽车上,都运用着欧阳明高团队的设计方法与核心技术。德国宝马电池研发设计总监Arno Perner说,“与清华大学的电池安全性合作项目取得巨大成功,研究成果指导了电池包的设计与管理”。

  实际上,锂离子动力电池系统是当前电动汽车的主流电化学动力源,但是其安全性、耐久性、动力性及系统集成技术是制约电动汽车大规模产业化的技术瓶颈。从清华大学获悉,自2007年以来《车用锂离子动力电池性能优化控制与系统集成设计及应用》项目研究团队,在中美政府间重大国际合作项目——中美清洁汽车研究联盟的电动汽车前沿技术研究和德国宝马公司等企业委托的系列合作项目支持下,取得了重大突破。据介绍,该项目属于节能与新能源汽车技术领域,由清华大学汽车安全与节能国家重点实验室牵头,主要完成人是欧阳明高、卢兰光、李建秋、何向明、田硕和冯旭宁,完成单位是清华大学和北京科易动力科技有限公司。上述研究成果《车用锂离子动力电池性能优化控制与系统集成设计及应用》荣获2016年度汽车工业科学技术奖一等奖。

突破标杆让电池系统更安全

  欧阳明高介绍,该项目在安全性方面,针对电池热失控这一危害最严重、防范最困难的电动汽车安全问题,突破了以行业标杆美国特斯拉为代表的被动安全管理模式,发明了基于热失控机理的主动安全防控技术。

  在国际上率先研发了大容量锂离子动力电池热失控诱发与扩展过程的检测与模型预测技术;针对自引发内短路这一热失控领域国际难题,发明了基于模型的内短路电压—温度特征联合识别技术,可以至少提前15分钟将可能造成严重热失控事故的内短路故障诊断出来,是国内外最早报道的自引发内短路检测算法。

突破局限增加电池系统耐久性

  欧阳明高说,在耐久性方面该项目针对动力电池系统实际使用寿命大大低于单体电池标称寿命,难以满足整车寿命需求的问题,突破了经典的电化学检测方法在车用动力电池领域应用的局限性,在国际上首创了电池组一致性分析新方法——“电量—容量”二维矢量图法,建立了串联电池组容量损失计算公式。

  该方法将机理模型预测、最优参数辨识和反馈校正相结合,研发出电池寿命状态在线估计系列化技术,使电池容量估计误差控制在1%—3%,优于文献报道的2%—5%的国际最好水平。在此基础上,发明了电池组容量损失延缓与恢复技术,大幅度延长了电池系统寿命。

攻克难题提高电池系统动力性

  “在动力性方面,我们团队针对电量、能量和功率等多种动力状态在全工况范围和全生命周期估计精度不高,导致电池动力性能发挥不充分,影响电动汽车性价比的问题,突破了动力电池电压/电量精确同步检测技术难题,提出了考虑锂离子固相扩散效应的电化学等效电路模型,发明了基于模型的电池荷电状态、健康状态、能量状态、功率状态在线联合估计算法,使动力电池在低电量工作区域和容量衰减情况下的估计误差大幅减小。” 欧阳明高说。以此技术为基础开发的电动轿车剩余里程估计技术,在剩余里程最后30km估计精度优于国际标杆电动车日产聆风。

“机—电—热”集成创新研发出新型动力电池系统

  欧阳明高介绍,在系统集成方面,项目团队基于上述三大关键技术,进一步突破了新一代电池管理系统软硬件集成技术和电池系统机—电—热集成技术,研制出以基于模型的电池管理为核心的高安全性动力电池系统。并且在保证安全可靠的前提下实现了轻量化,其中方壳电池模块的质量成组效率大于90%,优于国际著名厂商韩国三星同类产品指标。

  “研究工作形成了系统性创新成果,知识产权总计139项,其中专利112项,软件著作权27项。专利中包括授权发明专利51项,公开待授权发明专利33项。” 欧阳明高说,研究成果在国内外期刊发表论文83篇,其中23篇发表在国际工程科技领域800余种SCI期刊中总引用排名第一的杂志:Journal of Power Sources,其中1篇位居该刊2011年以来总引用和下载前三名,在国际车用锂离子动力电池研究领域起到了引领作用。

  据了解,研究成果受到国内外著名专家好评,美国密西根大学清洁能源车辆中心主任H. Peng教授这样评价项目成果: “车用动力电池系统电量—容量矢量图是欧阳明高教授课题组在工程科技领域做出的杰出贡献”;中国汽车工程学会组织的科技成果评审委员会一致认为“项目总体达到国际先进水平,部分关键技术处于国际领先水平”。

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