CN104330743B - 锂离子电池热失控测试分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锂离子电池热失控测试分析系统，包括实验装置、测试装置、数据采集及处理系统；所述的实验装置包括导热管和保温系统；所述导热管外壁缠绕电阻丝，所述导热管嵌于保温系统中，导热管内腔形成锂离子电池安装孔用于安装待测锂离子电池，所述的导热管顶端设有温度传感器安装孔用于安装温度传感器；所述的保温系统由容器和容器内的耐高温保温层组成。本发明的锂离子电池热失控测试分析系统结构合理，操作方便，功能多。使用该系统能够同时实现环境温度、高温环境、充放电倍率、散热条件等因素对锂离子电池热失控的测试，实验数据采集精度较高，数据采集和分析系统使用方便，并能保证测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种锂离子电池热失控测试分析系统。
背景技术
锂离子电池由于其工作电压高、功率密度和能量密度高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染等优点，被广泛的应用于各类电子元器件中，如笔记本电脑、相机、手机等。但是锂离子电池的安全问题一直是制约其进一步发展的重大难题。电池的安全性问题归根结底体现的是温度问题。任何安全性问题最终导致的结果就是温度升高直至失控，出现安全事故。因此，获取锂离子电池热失控的温度，预测锂离子电池的热失控环境，对于预防锂离子电池热失控具有重要的意义。
目前，国内外主要通过热重分析仪、差示扫描量热仪、加速量热仪、高温试验箱研究锂离子电池热失控的影响因素。热重分析仪在程序控制温度下，能够准确地测量物质的质量变化及变化的速率，得出温度与质量变化的规律。差示扫描量热仪在程序控制温度下，测量输入到试样和参比物的功率差与温度的关系。加速量热仪可以提供绝热条件下化学反应的时间—温度—压力数据之间的关系。以上三种实验装置测试对象都是锂离子电池内部的构成物质，研究内部物质的反应规律及其对锂离子电池热失控的影响，为锂离子电池热失控研究提供了理论解释。而中国电子技术标准化研究院的何鹏林使用高温试验箱研究了锂离子电池热失控规律，对锂电池整体的耐高温性能进行了研究。
但是，以上实验装置不能够应用于同时研究高温环境、充放电倍率、散热条件等因素对锂离子电池热失控的影响。
发明内容
本发明的目的旨在克服上述存在的问题，提供一种锂离子电池热失控测试分析系统，该装置系统操作简便，制造成本低，使用该测试系统能够同时实现高温环境、充放电倍率、散热条件等因素对锂离子电池热失控的测试。
本发明的技术方案如下：
一种锂离子电池热失控测试分析系统，包括实验装置、测试装置、数据采集及处理系统；所述的实验装置包括导热管和保温系统；所述导热管外壁缠绕电阻丝，所述导热管嵌于保温系统中，导热管内腔形成锂离子电池安装孔用于安装待测锂离子电池，所述的导热管顶端设有温度传感器安装孔用于安装温度传感器；所述的保温系统由容器和容器内的耐高温保温层组成；
所述的测试装置包括温度传感器；所述的温度传感器安装在实验装置的温度传感器安装孔中；所述的数据采集及处理系统包括多通道数据采集仪和数据分析软件；所述的多通道数据采集仪与温度传感器连接来采集数据，并将数据传输给数据分析软件进行分析和处理。
作为本发明锂离子电池热失控测试分析系统的优选方案，所述的锂离子电池热失控测试分析系统还包括电加热装置，所述的电加热装置包括第一直流稳压电源(30V，5A)和实验装置中的电阻丝，所述的第一直流稳压电源经电导线与电阻丝连接。所述的电加热装置的第一直流稳压电源的可调电压范围为0～30V，电流0～5A。实验装置中电阻丝的电阻丝接入点和电阻丝接出点分别经电导线与第一直流稳压电源的正负极连接构成电加热装置，实现恒定(或非恒定)加热功率锂离子电池热失控实验。优选的，所述的第一直流稳压电源为WYJ-5A30V型直流稳压电源，其可调电压范围为0～30V，显示准确度±1.2％，电流0～5A，显示准确度±1.5％。
作为本发明锂离子电池热失控测试分析系统的优选方案，所述的锂离子电池热失控测试分析系统还包括充电装置，所述的充电装置为第二直流稳压电源(30V，50A)，待测锂离子电池的正负极经电导线与第二直流稳压电源连接。所述的充电装置中的第二直流稳压电源的可调电压范围为0～30V，电流0～50A。实验装置中的待测锂离子电池正负极分别经电导线与第二直流稳压电源正负极连接，实现环境温度下高倍率充电锂离子电池热失控实验。实验装置中待测锂离子电池正负极经电导线与直流稳压电源正负极连接，同时电阻丝的电阻丝接入点和电阻丝接出点分别经电导线与电加热装置的第一直流稳压电源的正负极连接，可实现高温环境下高倍率充电锂离子电池热失控实验。优选的，所述的第二直流稳压电源为KXN-3050D型直流稳压电源，其可调电压范围为0～30V，显示准确度±1％，电流0～50A，显示准确度±1％。
作为本发明锂离子电池热失控测试分析系统的优选方案，所述的锂离子电池热失控测试分析系统还包括放电装置，所述的放电装置为放电用电阻丝，待测锂离子电池的正负极经电导线与放电用电阻丝两端连接。所述的放电装置中的放电用电阻丝为Cr20Ni80型电阻丝，可调电阻范围为0～5Ω。实验装置中的待测锂离子电池正负极分别经电导线与放电装置的电阻丝两端连接，实现环境温度下高倍率放电锂离子电池热失控实验。实验装置中待测锂离子电池正负极分别经电导线与放电装置的放电用电阻丝两端连接，同时实验装置中电阻丝的电阻丝接入点和电阻丝接出点分别经电导线与电加热装置的直流稳压电源的正负极连接，可实现高温环境下高倍率放电锂离子电池热失控实验。
作为本发明测试系统中实验装置的优选方案，所述的电阻丝外设有电阻丝固定装置；所述的电阻丝固定装置由均匀缠绕在电阻丝外的耐高温胶布制成，耐高温胶布为电子工业领域技术人员公知的高温作业环境下使用的胶粘带，耐温性能通常在600-850℃之间。
优选的，所述的电阻丝在导热管上端设有电阻丝接入点，在导热管下端设有电阻丝接出点。
优选的，所述的导热管为铜管；所述的导热管的内腔底部设有勾角，所述导热管的内腔的纵切面呈倒凸型，通过勾角防止锂离子电池的滑落。所述的导热管内径为18mm，外径为26mm，高为68mm。所述的勾角的长为1mm、高为3mm。
优选的，所述的温度传感器安装孔的孔径为2mm，便于温度传感器直接插入温度传感器安装孔中。
优选的，所述的容器为铁制柱形容器；所述的耐高温保温层的材质主要有硅酸铝纤维毯、岩棉板等。耐高温保温材料作为一种绝缘填充物，不同绝缘填充物散热系数不一样，通过改变绝缘填充物的种类，可以研究不同散热条件对锂离子电池热失控的影响。
所述的温度传感器为热电偶，优选为OMEGA-K型热电偶，其响应时间0.01s，用于采集待测锂离子电池温度。
所述的多通道数据采集仪为Hydra2620A多通道数据采集仪，分辨率为0.1℃，准确度为±0.45℃；所述的数据分析软件为Hydra系列通用信号分析软件，用于对数据和信号进行分析和处理。
本发明锂离子电池热失控测试分析系统中，温度传感器与多通道数据采集仪的连接是本领域技术人员的公知常识。
根据锂离子电池热失控的影响因素，本发明锂离子电池热失控测试分析系统可以进行不同条件(环境温度、高温环境、充放电倍率、散热条件)下锂离子电池热失控实验。实验前，将本发明锂离子电池热失控实验装置与测试装置、数据采集及处理系统连接，根据实验条件选择性地与电加热装置、充电装置、放电装置连接，检查各种部件的线路，并确保连接良好。实验时，将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，根据实验条件，相应地设定电加热功率、充电装置的电流大小、放电装置的电阻大小；最后，打开数据采集软件开始采集数据，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，进行数据的采集、处理和分析。
本发明的有益效果是：
本发明的锂离子电池热失控测试分析系统结构合理，操作方便，功能多。使用该系统能够同时实现环境温度、高温环境、充放电倍率、散热条件等因素对锂离子电池热失控的测试：进行恒定(非恒定)加热功率条件下锂离子电池热失控实验，常温环境下高倍率充电(放电)锂离子电池热失控实验，高温环境下高倍率充电(放电)锂离子电池热失控实验，以及不同散热条件下锂离子电池热失控实验，通过改变保温系统的隔热材料可实现不同隔热条件下锂离子电池热失控实验。实验数据采集精度较高，数据采集和分析系统使用方便，并能保证测试精度。
附图说明
图1是锂离子电池热失控测试分析系统的示意图。
图2是锂离子电池热失控测试分析系统的实验装置结构示意图；
图3是锂离子电池热失控测试分析系统的实验装置俯视图；
图4是锂离子电池热失控测试分析系统的实验装置中导热管结构示意图；
图5是锂离子电池热失控测试分析系统的实验装置结构中导热管结构俯视图。
图中，1-锂离子电池安装孔，2-温度传感器安装孔，3-导热管，4-电阻丝，5-电阻丝固定装置，6-耐高温保温层，7-温度传感器，8-容器，9-勾角，10-电阻丝接入点，11-电阻丝接出点。
具体实施方式
结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。
参照附图1-5，一种锂离子电池热失控测试分析系统，包括实验装置、电加热装置、充电装置、放电装置、测试装置、数据采集及处理系统；所述的实验装置包括导热管3和保温系统；所述的导热管3底部设有勾角9，使导热管3的纵切面呈倒凸型；所述导热管3外壁缠绕电阻丝4，所述的电阻丝4在导热管3上、下端分别设有电阻丝接入点10和电阻丝接出点11；所述的电阻丝4外均匀缠绕耐高温胶布作为电阻丝固定装置5，所述导热管3嵌于保温系统中，导热管3内腔形成锂离子电池安装孔1用于安装待测锂离子电池，所述的导热管3顶端设有温度传感器安装孔2用于安装温度传感器7；所述的保温系统包括铁制柱形容器8和填充在容器8内的耐高温材料形成的耐高温保温层6；其中，所述的导热管3为铜管；所述的导热管3内径为18mm，外径为26mm，高为68mm；所述的勾角9的长为1mm、高为3mm；本实施例锂离子电池热失控测试分析系统适用于18650型锂离子电池的热失控实验。
所述的电加热装置包括第一直流稳压电源(30V，5A)和实验装置中的电阻丝，所述的第一直流稳压电源经电导线与电阻丝连接。所述的第一直流稳压电源为WYJ-5A30V型直流稳压电源，其可调电压范围为0～30V，显示准确度±1.2％，电流0～5A，显示准确度±1.5％。
所述的充电装置为第二直流稳压电源(30V，50A)，待测锂离子电池的正负极经电导线与第二直流稳压电源连接。所述的第二直流稳压电源为KXN-3050D型直流稳压电源，其可调电压范围为0～30V，显示准确度±1％，电流0～50A，显示准确度±1％。
所述的放电装置为放电用电阻丝，待测锂离子电池的正负极经电导线与放电用电阻丝两端连接。所述的放电装置中的放电用电阻丝为Cr20Ni80型电阻丝，可调电阻范围为0～5Ω。
所述的测试装置包括温度传感器；本实施例中温度传感器为OMEGA-K型热电偶，其响应时间0.01s，热电偶安装在实验装置的温度传感器安装孔中，用于采集待测锂离子电池温度。
所述的数据采集及处理系统包括多通道数据采集仪和数据分析软件；所述的多通道数据采集仪与温度传感器连接采集数据，并将数据传输给数据分析软件进行分析和处理。本实施例中多通道数据采集仪为Hydra2620A多通道数据采集仪，分辨率为0.1℃，准确度为±0.45℃；所述的数据分析软件为Hydra系列通用信号分析软件；多通道数据采集仪与温度传感器(热电偶)连接采集数据，并将数据传输给数据分析软件进行分析和处理。
恒定(或非恒定)加热功率锂离子电池热失控实验：实验前，实验装置中电阻丝的电阻丝接入点和电阻丝接出点分别经电导线与第一直流稳压电源的正负极连接构成电加热装置。实验时，将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，根据实验条件，设定第一直流稳压电源的电压、电流，开始加热，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪采集记录待测锂离子电池的温度。若第一直流稳压电源持续对电阻丝供电可实现恒定加热功率锂离子电池热失控实验；若第一直流稳压电源先持续对电阻丝供电，然后在锂离子电池达到某一温度点停止对电阻丝供电，可实现非恒定加热功率锂离子电池热失控实验。
环境温度下高倍率充电锂离子电池热失控实验：将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，第二直流稳压电源正负极分别经电导线与实验装置中待测锂离子电池正负极连接，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，根据实验条件，设定第二直流稳压电源的电压、电流，对锂离子电池充电，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪采集记录待测锂离子电池的温度，实现环境温度下高倍率充电锂离子电池热失控实验。
环境温度下高倍率放电锂离子电池热失控实验：将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，实验装置中待测锂离子电池正负极分别经电导线与放电用电阻丝连接温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，根据实验条件，设定放电用电阻丝的电阻值，锂离子电池放电，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪采集记录待测锂离子电池的温度，实现环境温度下高倍率放电锂离子电池热失控实验。
高温环境下高倍率充电锂离子电池热失控实验：实验装置中电阻丝的电阻丝接入点和电阻丝接出点分别经电导线与第一直流稳压电源的正负极连接构成电加热装置，待测锂离子电池正负极经电导线与第二直流稳压电源正负极连接，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，根据实验条件，设定第一直流稳压电源的电压、电流，开始加热，同时设定第二直流稳压电源的电压、电流，对锂离子电池充电，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪采集记录待测锂离子电池的温度，可实现高温环境下高倍率充电锂离子电池热失控实验。
高温环境下高倍率放电锂离子电池热失控实验：将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，实验装置中电阻丝的电阻丝接入点和电阻丝接出点分别经电导线与第一直流稳压电源的正负极连接构成电加热装置，实验装置中待测锂离子电池正负极经电导线与放电用电阻丝连接构成放电装置，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，根据实验条件，设定第一直流稳压电源的电压、电流，开始加热，同时设定放电用电阻丝的电阻值，锂离子电池放电，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪采集记录待测锂离子电池的温度，可实现高温环境下高倍率放电锂离子电池热失控实验。
不同散热条件下高倍率充电锂离子电池热失控实验：实验前，改变保温系统中的耐高温保温层的材质，待测锂离子电池正负极分别经电导线与第二直流稳压电源正负极连接。实验时，将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，根据实验条件，设定第二直流稳压电源的电压、电流，对锂离子电池充电，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪采集记录待测锂离子电池的温度，可实现不同散热条件下高倍率充电锂离子电池热失控实验。
不同散热条件下高倍率放电锂离子电池热失控实验：实验前，改变保温系统中的耐高温保温层的材质，待测锂离子电池正负极分别经电导线与放电用电阻丝连接。实验时，将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，根据实验条件，设定放电用电阻丝的电阻值，锂离子电池放电，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪采集记录待测锂离子电池的温度，可实现不同散热条件下高倍率充电锂离子电池热失控实验。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种锂离子电池热失控测试分析系统，其特征在于包括实验装置、测试装置、数据采集及处理系统；所述的实验装置包括导热管和保温系统；所述导热管外壁缠绕电阻丝，所述导热管嵌于保温系统中，导热管内腔形成锂离子电池安装孔用于安装待测锂离子电池，所述的导热管顶端设有温度传感器安装孔用于安装温度传感器；所述的保温系统由容器和容器内的耐高温保温层组成；所述的测试装置包括温度传感器，所述的温度传感器安装在实验装置的温度传感器安装孔中；所述的数据采集及处理系统包括多通道数据采集仪和数据分析软件；所述的多通道数据采集仪与温度传感器连接来采集数据，并将数据传输给数据分析软件进行分析和处理。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控测试分析系统，其特征在于所述的锂离子电池热失控测试分析系统包括电加热装置，所述的电加热装置包括第一直流稳压电源和实验装置中的电阻丝，所述的第一直流稳压电源经电导线与电阻丝连接构成电加热装置。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池热失控测试分析系统，其特征在于所述的电加热装置的第一直流稳压电源的可调电压范围为0～30V，电流0～5A。
4.根据权利要求1或2所述的锂离子电池热失控测试分析系统，其特征在于所述的锂离子电池热失控测试分析系统包括充电装置，所述的充电装置为第二直流稳压电源。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池热失控测试分析系统，其特征在于所述的充电装置中的第二直流稳压电源的可调电压范围为0～30V，电流0～50A。
6.根据权利要求1或2所述的锂离子电池热失控测试分析系统，其特征在于所述的锂离子电池热失控测试分析系统包括放电装置，所述的放电装置为放电用电阻丝。
7.根据权利要求6所述的锂离子电池热失控测试分析系统，其特征在于所述的放电装置中的放电用电阻丝的可调电阻范围为0～5Ω。
8.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控测试分析系统，其特征在于所述的电阻丝外设有电阻丝固定装置；所述的电阻丝固定装置由均匀缠绕在电阻丝外的耐高温胶布制；
所述的电阻丝在导热管上端设有电阻丝接入点，在导热管下端设有电阻丝接出点。
9.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控测试分析系统，其特征在于所述的导热管的内腔底部设有勾角，所述导热管的内腔的纵切面呈倒凸型。
10.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控测试分析系统，其特征在于所述的导热管为铜管；所述的容器为铁制柱形容器；所述的耐高温保温层的材质为硅酸铝纤维毯或岩棉板。
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