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实验共用到7中传感器,如表1所示,检测范围涉及电压、气体、烟雾、、蠕变位移、温度、气压和力。其中气体传感器S2为SnO2半导体,主要检测CH4、C3H8和CO。烟雾传感器S3是自制的,通过红外光的反射和LED灯实现检测。
表2.三组实验具体信息。实验中所有电池处于100%SOC,V2和V3测试在60 ℃进行。
实验共进行了三组,如表2所示,分别是V1、V2和V3。其中V1使用的是20 Ah NMC单电芯软包电池,通过加热板加热触发电池热失控。V2使用的65 Ah NMC软包电池2P的单模组,通过针刺触发热失控。V3使用的58 Ah NMC电池2P双模组,同样通过针刺触发热失控。
图1.三组实验传感器布置示意图
(a) V1组;(b) V2组;(c) V3组。图中标记1为Al制密闭装置,标记2为触发热失控的加热板或针,标记3为填充块,标记4为防爆阀,标记5为压力传感器,标记6为气体传感器,标记7为温度传感器,标记8为烟雾传感器,标记9为位移传感器,标记10为传感器区域,标记11为模组。
三组实验传感器布置如图1所示。Al密闭结构的体积并未给出,只告知防爆阀作用压力为30 kPa ≤ Pburst≤ 70 kPa,V3测试安排有2个防爆阀。其中V1和V3是在密闭条件下进行,V2是在开口条件下进行,所有V2组并未使用压力传感器。
图2. V1组加热触发热失控测试结果。其中“visible venting”虚线表示电池开阀过程在外部可以观察到。
图2所示为V1组测试结果。不难看出气体传感器S2、烟雾传感器S3、压力传感器S6和位移传感器S4响应较快,其中气体传感器S2反应最快,烟雾传感器S3紧随其后。值得注意的是,相较气体信号,电压显著降低几乎滞后了20 s。从温度上看,最大温升达到250 ℃,最高温度接近300 ℃。
图3. V2组针刺触发热失控结果,其中砖红色虚线代表电池被完全刺穿时刻。
如图3所示,V2组实验中同样是气体传感器S2、烟雾传感器S3和位移传感器S4响应最快。同V1组相比,电压响应滞后时间晚了接近40 s,作者认为电池型号不同或触发热失控方式不同所致。最大温升约150 ℃,最高温度接近200 ℃。
图4. V3针刺触发热失控结果,其中砖红色虚线代表电池被完全刺穿时刻。
如图4所示,V3组实验中响应最快的是气体传感器S2 (出现异常)、烟雾传感器S3、位移传感器S4和压力传感器S6,结果同V1组、V2组一致。电压响应滞后了20多秒,但电压在90 s附近和115 s附近出现一定程度波动。温度曲线共出现3次峰值,后两次峰值为模组内其他电池发生排气所致,最高温升为300 ℃。
表3.传感器结果对比,“+”表示性能良好,“0”表示性能一般,“-”表示性能较差。
综合以上三组测试结果,本研究所用的检测电池热失控的7种传感器表现如表3所示。直观上看没有任何传感器三种优点兼得,均是有得有失。但简单从热失控预警角度出发,要求传感器的检测速度越快越好,气体传感器S2、压力传感器S6和力传感器S7均有很好的响应速度。从以上对比不难看出,常检测的电压和温度均不太适合用于电池热失控预警。热失控预警往往使用多种传感器,可综合考虑系统设计和传感器的优缺点选用两三种传感器进行布置。
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