特斯拉(Tesla)汽車與其他大多數電動車、電動自行車、電動滑板車、電動堆高機,以及電動工具一樣,都使用鋰離子電池作為儲能介質。通常,它們使用由數個電池和電池管理系統所組成的電池組,電池管理系統可確保電池保持在指定的工作參數範圍內工作。為了達成此一目的,要能夠非常精確地測量充電電流和放電電流、電池電壓和溫度。至於也被稱為是「用火焰通風(venting with flame)」的熱失控(thermal runaway),溫度是決定性因素。

鋰離子電池的工作溫度範圍很窄,在+15~+45℃之間。電池單元的功能安全、使用壽命和循環穩定性,以及電池和整個電動車或電動工具系統的功能安全,在很大程度上取決於是否能把電池單元維持在參數範圍內。如果溫度超過臨界水準,便會發生熱失控。

何謂熱失控?

鋰離子電池的熱失控會引發停不下來的連鎖反應,溫度在幾毫秒內迅速上升,電池中儲存的能量突然被釋放,因而產生大約400℃的高溫,使得電池變成氣體,從而造成幾乎不能以常規方式撲滅的火災。熱失控的風險從溫度在60℃時開始,而在100℃時變得非常關鍵,電池實際會在何時著火,則要視具體的情況而定。

鋰離子電池的熱失控如何產生?導致鋰離子電池發生熱失控的幾項因素如下:

˙內部短路:由於事故或類似的機械衝擊,例如如果工具從很高的地方跌落下來,導致電池變形,材料會滲入電池並引發內部短路。

˙外部短路:電池單元變形,引起外部短路。

˙電池過度充電超過資料表中所規定的最大電壓,例如為了增加電動車的續航里程而過度充電。視過度充電的程度,電池可能會永久損壞,或使電池的使用壽命縮短。

˙電池充電或放電時的電流過大,例如快速充電時。

如何降低風險?

為了把熱失控的風險降至最低,必須確保電池的機械和熱穩定性。這項要求可藉由對電池單元和電池組的適當監控機制來達成。

電池單元

電池單元的監控至關重要。由於骨牌效應,如果一個電池單元發生熱失控,隨後就會擴及到其他電池單元、整個電池,乃至於整台電動車或整個電動工具。圓柱形18650鋰離子電池具有出色的機械和熱力學性能:

˙它們的金屬外殼使其堅固耐用,並且可用作散熱器。

˙纏繞結構可將陽極和陰極分開多次,從而提高安全性。

其他優勢包括它們相對較具有成本效益,並且長久以來都是採用相同的外形尺寸。三星(Samsung)SDI可提供高品質的圓柱形18650鋰離子電池。

20190130TA31P1 三星SDI圓柱形18650鋰離子電池

但是,18650鋰離子電池也會發生熱失控,因此,熱管理系統是不可或缺的。由於熱失控會在極短的時間內被觸發,而後無法停止,因此,除了全面的熱力學技術外,快速和精確的測量對於鋰離子電池結構也是非常關鍵。羅姆半導體(Rohm)、Sensirion和意法半導體(STMicroelectronics)等公司皆可提供各自的感測器產品。例如Sensirion的STS3x感測器的回應時間只要2秒,精準度高達±0.1℃。在理想情況下,在每個電池單元上會有三個溫度感測器,建議每個電池單元至少使用一個感測器,每個電池組至少使用一個或兩個感測器。

電池組

電池單元的數量和配置,在電池組中扮演著吃重的角色:

˙把二十四個鋰離子電池排成一列:溫度分布相對均勻。

˙3×8鋰離子電池:內部熱點。

˙5×5鋰離子電池:內部溫度較高的熱點。

液體冷卻系統、風扇、導熱板和導熱膜可冷卻電池,或耗散來自熱點的熱。風扇尺寸為2cm~14cm,高度則介於10mm~38mm之間,某些具有整合式脈衝寬度調變(PWM)、速度測量、速度計訊號或自動重啟功能。其中,凱美電機(Jamicon)或台達電子(Delta Electronics)提供的多款產品還具有客製化的連接器。

除了電池單元的配置之外,在使用風扇時,風扇的配置也很重要。測試結果顯示,當以1倍、2倍和3倍的額定電流對電池放電時,會出現令人驚訝的溫度分佈,並且可能產生危險的熱點。因此,在設計配有風扇的電池時,不能只依靠假設來設計,而是需要進行精確的測量或使用現有的調查資料。

為了有效地散熱,推薦要使用導熱膜。松下(Panasonic)10μm~100μm既薄且輕的熱解石墨片(PGS)可提供特別高的導熱性(高達1,950W/mK)。

除了PGS外,還有一種NASBIS絕緣薄膜可減少熱點的熱量。將NASBIS薄膜放在電池單元之間,以防止電池單元的熱失控擴及到相鄰的電池單元,乃至於整組電池,其0.02W/mK的導熱性比空氣的低,因此可用於隔熱。NASBIS薄膜非常薄而且有彈性,所以可應用在狹窄的空間中。

鋰離子電池的專業知識

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