CN105633489A - 动力电池内短路模拟的封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种动力电池内短路模拟的封装结构，属于电池技术领域。一种动力电池内短路模拟的封装结构，其包括一壳体、一盖体、一内短路模拟电路。所述壳体具有一收容空间以及一个开口。所述盖体包括一个盖板、两个极耳、两个极柱，所述两个极耳和所述两个极柱分别间隔相对设置在盖板的两侧。所述内短路模拟电路包括一个开关，一个定值电阻，以及导线。所述定值电阻通过导线以及开关与所述两个极耳电连接。

Description

动力电池内短路模拟的封装结构
技术领域
本发明属于电池技术领域，具体涉及一种电池封装结构。
背景技术
在能源紧缺与环境污染的双重压力下，新能源的广泛应用已经成为不可逆的科技发展趋势。汽车动力系统电动化已逐渐成为未来汽车技术发展的主要趋势。汽车动力系统电动化的主要特征之一即使用电能代替化学能作为车辆主要的驱动能量来源。电能的储存需要一定的载体，即电化学储能系统。锂离子动力电池能量密度高，循环寿命长，已经成为电动汽车动力来源的主要选择之一。
然而，随着电动汽车的逐渐推广，锂离子动力电池的安全性事故时发生。锂离子动力电池事故通常表现为以热失控为核心的温度骤升、冒烟、起火甚至爆炸等现象。相关的事故威胁着人民群众的生命财产安全，阻碍了电动汽车的大规模产业化。
锂离子动力电池热失控事故可能由多种诱因引发，事故调查发现，近年来，由于动力电池内短路造成的热失控事故的事例正逐年增多。在动力电池制造过程中，其内部可能混入杂质，也可能存在结构缺陷（如应力集中造成的开裂，或者预应力造成的褶皱等）。在动力电池使用过程中，电池内部的电化学电位受到其内部杂质以及结构缺陷的影响，导致这些有缺陷的部位电化学电位分布异常。异常的电位分布会诱导金属枝晶（如锂枝晶、铁枝晶、铜枝晶等）在异常部位生长。枝晶的生长会最终刺破隔膜，导致电池内短路的发生。
在动力电池使用过程中，内短路从产生到最终造成动力电池热失控需要经历数小时的时间。在这内短路发生与发展的数小时期间内，必须及时检测到内短路的发生并判断内短路的程度，提早进行预警，以保障车内乘员的生命财产安全。即需要可靠有效的内短路早期检测算法，以对于内短路的发生进行早期预警。
一旦开发出内短路早期检测算法，其实际效果和可靠性就需要进行检验。此时，需要在电池组内设置一个具有内短路的动力电池，并在实际使用工况条件下将内短路触发，才能有效地测试内短路检测算法的实际效果和可靠性。然而，目前对于内短路的具体成因尚不是完全清楚，很难获取在使用过程中发生了内短路的电池。一般地，只有在事故发生之后，才能通过事故调查发现动力电池发生了内短路。就算开发出了内短路早期检测算法，也无法对于该种算法的实际效果和可靠性进行评估。
因此，设计实验装置以定量模拟动力电池内短路的行为，对于评估内短路检测算法的可靠性非常有必要。目前，设计实验装置定量模拟动力电池内短路包括三类主要的方法：1）通过机械挤压或穿刺引发电池隔膜破裂造成内短路；2）在电池正负极之间引入杂质颗粒，在对应位置进行挤压而引发内短路；3）在电池内部内置可控材料（如石蜡、记忆合金等），使用特定的触发条件（如升温等）来激活可控材料，可控材料属性变化（如石蜡熔化、记忆合金变形等）导致电池正负极短接，从而模拟内短路。
在用于评估算法可靠性方面，以上的三类模拟内短路的方法都具有一定的缺点。方法1）会造成电池结构的破坏，而实际情况下，实际使用过程中的电池内短路很少由于电池结构破坏而发生。另外，方法1）造成的内短路不稳定，可能直接造成电池的热失控，而不能模拟早期内短路，无法用于内短路检测算法的验证。方法1）的可重复性也不是很好，不能保证每次都能造成稳定的定量内短路。
方法2）同样会造成电池变形，也不能较好地模拟实际情况下的内短路。方法2）造成的内短路也不稳定，可能直接造成电池的热失控。并且，引入杂质颗粒时，杂质颗粒的微观形貌难以控制，不能保证内短路的可重复性，也不能获得准确的不同程度的定量内短路。
方法3）不会造成电池变形，但是，内置可控材料需要一定的条件加以触发，如升温熔化石蜡，或者升温激发记忆合金变形。升温过程本身改变了电池的正常工作温度，可能造成电池内部其他副反应的发生，影响了电池的电化学和产热特性。方法3）所引入的可控材料与电池正负极之间的微观形貌与微观作用关系难以确定，仍然不能有效地定量控制内短路的程度，不能保证内短路的可重复性。
发明内容
有鉴于此，有必要提出一种动力电池内短路模拟的封装结构，可以在实验过程中定量模拟动力电池内短路，内短路效果稳定，可重复性好。
一种动力电池内短路模拟的封装结构，其包括一壳体、一盖体、一内短路模拟电路。所述壳体具有一收容空间以及一个开口。所述盖体包括一个盖板、两个极耳、两个极柱，所述两个极耳和所述两个极柱分别间隔相对设置在盖板的两侧。所述内短路模拟电路包括一个开关，一个定值电阻，以及导线。所述定值电阻通过导线以及开关与所述两个极耳电连接。
本发明提出的动力电池内短路模拟的封装结构，可以根据需要收纳两个电池单体从而构成具有内短路功能的封装电池，可以定量模拟动力电池在不同程度的内短路情况下的电化学效应以及热效应，实现了用实验模拟动力电池在内短路条件下，电压与温度的变化情况。该动力电池内短路模拟的封装结构应用于模拟装置时，对于内短路触发的模拟是可控的，可以模拟在实际情况下，电池内部突发的内短路情况。同时，该模拟装置输出的电压、温度结果可以为开发内短路早期检测算法提供数据，用于验证所开发的内短路早期检测算法的有效性和可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的动力电池内短路模拟的封装结构的示意图。
图2为本发明实施例提供的由图1中的封装结构封装的具有内短路功能的封装电池。
图3为本发明实施例提供的使用所述具有内短路功能的封装电池进行内短路模拟的流程图。
图4为本发明实施例提供的使用所述具有内短路功能的封装电池进行内短路模拟过程中，温度传感器的放置位置。
图5为本发明实施例中，使用1/3C的电流，对于具有不同阻值的具有内短路功能的封装电池进行充电测试的结果。
图6为本发明实施例中，使用1/3C的电流，对于具有不同阻值的具有内短路功能的封装电池进行放电测试的结。
图7为本发明实施例中，使用FUDS工况，对于无内短路的具有内短路功能的封装电池进行放电测试的结果。
图8为本发明实施例中，使用FUDS工况，对于具有2.5Ω阻值的具有内短路功能的封装电池进行放电测试的结果，其中内短路在测试开始时触发。
图9为本发明实施例中，使用FUDS工况，对于具有2.5Ω阻值具有内短路功能的封装电池进行放电测试的结果，其中内短路在测试过程中突然触发。
主要元件符号说明
盖体 10
极耳 12
盖板 14
极柱 16
单体电池 20
内短路模拟电路 30
开关 32
导线 34
定值电阻 36
壳体 40
开口 42
收容空间 44
动力电池内短路模拟的封装结构 60
具有内短路功能的封装电池 100
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参见图1及图2，本发明实施例提供一种动力电池内短路模拟的封装结构60，其包括其包括一盖体10、一壳体40、一内短路模拟电路30。所述壳体40为一端开口的中空结构用于容纳所述内短路模拟电路30以及至少两个单体电池20，所述盖体10盖合在该开口上从而形成封装结构。
所述壳体40为一端开口的中空腔体结构来容纳并机械约束所述内短路模拟电路30以及所述至少两个单体电池20，其具有一开口42以及一收容空间44。该壳体40的形状不限，可根据实际应用时电池组的单体电池20的形状来设计。本发明实施例中，所述壳体40为一中空的长方体。该壳体40优选采用硬质耐热的材料制成，更为优选地，所述壳体40的材料可以为硬质耐热的金属材料制成，如钢或铝。本发明实施例中，所述壳体40为钢壳。
所述盖体10包括一盖板14，该盖板14具有相对的第一表面以及第二表面，所述第一表面远离所述壳体40的开口，所述第二表面靠近所述壳体40的开口。该盖板14的形状可根据实际的需要来制作。优选地，该盖板14为片状。该盖板14可由绝缘材料，也可由金属材料制成。本实施例中，该盖板14为铝合金材料。
所述盖体10进一步包括两个极柱16以及两个极耳12，所述两个极柱16间隔相对设置在所述盖板14的第一表面，所述两个极耳12间隔相对设置在所述盖板14的第二表面。所述两个极柱16分别与所述两个极耳12电连接。本实施例中，所述两个极柱16包括间隔设置的正极极柱以及负极极柱。所述两个极耳12包括间隔设置的正极极耳以及负极极耳。所述正极极耳以及负极极耳分别具有两端，所述正极极柱与所述正极极耳的一端电连接，所述正极极耳的另一端与所述电池组的正极端电连接，所述负极极柱与所述负极极耳的一端电连接，所述负极极耳的另一端与所述电池组的负极端连接。所述两个极柱16、所述两个极耳12均与所述盖板14绝缘。所述两个极柱16、所述两个极耳12的材料为导电材料。所述盖板14、所述两个极柱16以及所述两个极耳12可以为一体结构。本实施例中，所述两个极柱16、所述两个极耳12均为片状结构，由金属铜制成。
所述内短路模拟电路30包括一开关32，导线34，以及定一阻值电阻36。所述定值电阻36的一端通过导线34与所述开关32电连接后再与所述两个极耳12中的一个电连接，所述定值电阻36的另一端通过导线34直接与所述两个极耳中12的另一个电连接。所述定值电阻36设置在所述壳体40的收容空间44内，可以设置在所述收容空间44的中央，将该收容空间44平分。所述开关32及所述导线34的位置不限，只要能实现电连通以及控制电路闭合断开的功能即可。使用时，可以将至少两个单体电池20相对封装在所述收容空间44中，该两个单体电池20将所述定值电阻36夹设在该至少两个单体电池20之间。所述两个极耳16将该至少两个单体电池20并联连接在一起，所述壳体40和所述盖体10将所述至少两个单体电池20封装成一个封闭结构，从而获得一具有内短路功能的封装电池100。当需要定量模拟内短路时，将开关302闭合，所述内短路模拟电路30导通形成一放电回路。该具有内短路功能的封装电池100的电量在所述定值电阻36上释放，该具有内短路功能的封装电池100的电压降低，同时该定值电阻36处由于有电流通过而显著发热。通过上述方法，模拟了该具有内短路功能的封装电池100内部内短路的电化学效应和热效应。
在实际应用时，所述定值电阻36可以选取不同阻值的电阻。所述动力电池内短路模拟的封装结构60可以定量模拟不同程度内短路的电化学效应和热效应。另外，模拟内短路的所述内短路模拟电路30可以通过所述开关302进行控制。因此模拟内短路的触发是可控的，即可以模拟突发的内短路情况。另外，所述定值电阻36可以放置在所述具有内短路功能的封装电池100内部的所述至少两节单体电池20之间的任一位置，从而可以模拟不同位置的动力电池内短路。
请参见图3，下面进一步给出所述具有内短路功能的封装电池100的使用和测试方法，其具体包括以下步骤：
S1，提供所述动力电池内短路模拟的封装结构60，以及所述至少两个单体电池20，并封装形成所述具有内短路功能的封装电池100；
S2，选取不同阻值的定值电阻36，使用给定电流工况对于所述具有内短路功能的封装电池100进行内短路测试；以及
S3，监测并分析内短路测试中的电压、温度的测量结果，为开发内短路早期检测算法提供数据支持。
本实施例中，在上述步骤S1中，所述单体电池20为具有铝塑膜包装的软包锂离子动力电池。该单体电池20的正极活性材料为镍钴锰三元材料，负极活性材料为石墨。单体电池20的容量为12.5Ah。提供两个材料和几何结构完全相同的单体电池20进行并联连接，按照附图2组装成为总容量为25Ah的所述具有内短路功能的封装电池100。
在上述步骤S2中，可将所述具有内短路功能的封装电池100放入温度可控的恒温控制箱内，使用电池充放电设备，设定一定的电流工况，对于制作好的所述具有内短路功能的封装电池100进行内短路测试。如附图3所示，测试过程中，除记录电池输出电压V之外，还可以在附图4中X形标记处放置温度传感器，记录测试过程中，电池内部的温度TC内以及电池表面的温度TC外。
在步骤S2过程中，本实施例选取了不同阻值的定值电阻36，使用了不同的充放电工况对于本发明的所述具有内短路功能的封装电池100的特性进行了大量的实验测试。具体进行的测试如表1所示：
表1对于所述具有内短路功能的封装电池100进行的系列测试实验
请参看附图5，为本发明实施例中，使用1/3C的电流，对于具有不同阻值的定值电阻36的所述具有内短路功能的封装电池100进行充电测试的结果。可以看出，在电池内部不发生短路的情况下，电池充电容量为25.4Ah，而在电池内部发生短路的情况下，电池的充电容量将大于25.4Ah。这说明内短路在充电过程中消耗了一定的电池电量，使得电池的充电时间延长。对于1Ω内短路的情况而言，充电容量达到41.7Ah，比无内短路情况增加了64%。这是非常明显的内短路造成的结果。内短路电阻越小，短路电流越大，短路程度越严重，充电的时间也越长。从充电曲线上看，电池的充电曲线明显降低，这是明显的内短路造成的电化学效应。从温度曲线上看，内短路电阻越小，短路电流越大，短路点产热越大。在无内短路发生的情况下，充电过程中的最大温升仅为1.6oC；而对于1Ω内短路的情况而言，最大充电温升可以达到7.4oC。这是非常明显的内短路造成的产热效应。
请参看附图6，为本发明实施例中，使用1/3C的电流，对于具有不同阻值的定值电阻36的所述具有内短路功能的封装电池100进行充电测试的结果。可以看出，在电池内部不发生短路的情况下，电池放电容量为25.4Ah，而在电池内部发生短路的情况下，电池的放电容量将小于25.4Ah。这说明内短路在充电过程中消耗了一定的电池电量，使得电池的放电时间缩短。对于1Ω内短路的情况而言，放电容量仅为20.7Ah，比无内短路的情况减少了18.5%。这是明显的内短路造成的结果。内短路电阻越小，短路电流越大，短路程度越严重，放电时间也越短。从放电曲线上看，电池的放电曲线偏低，这是内短路造成的电化学效应。从温度曲线上看，内短路电阻越小，短路电流越大，短路点产热越大。在无内短路发生的情况下，放电过程中的最大温升仅为0.4oC；而对于1Ω内短路的情况而言，最大放电温升可以达到9.1oC。这是非常明显的内短路造成的产热效应。
综合附图5和图6的结果，可以证明本发明提出的所述具有内短路功能的封装电池100可以定量模拟不同程度的动力电池内短路。
请参看附图7，在本发明实施例中，使用FUDS工况，对于无内短路情况的所述具有内短路功能的封装电池100进行测试的结果。可以看出，在反复进行的FUDS工况放电过程中，电池可以放电的时间长于25000秒，电池内部最高温度约为26.5oC，表面最高温度约为25.6oC。
请参看附图8，在本发明实施例中，使用FUDS工况，对于具有不同阻值的定值电阻36的所述具有内短路功能的封装电池100进行放电测试的结果，内短路在测试开始时触发。可以看出，反复进行的FUDS工况放电过程中，电池可以放电的时间仅为22180秒，小于无内短路的放电时间，这是由于电池内短路造成的结果。同时，在FUDS工况进行过程中，在2.5Ω内短路的情况下，电池内部最高温度可以达到38oC，而表面最高温度也接近29oC。电池内部最高温度和表面最高温度均大于附图6中无内短路的情况。
请参看附图9，为本发明实施例中，使用FUDS工况，对于具有不同阻值的定值电阻36的所述具有内短路功能的封装电池100进行放电测试的结果，内短路在测试过程中突然触发。在测试初期，没有开启内短路开关，即电池内部不发生内短路。电池内部温度最高为26.2oC，表面温度最高为25.6oC，与附图6中的无内短路情况相近。在测试进行到7312s附近，内短路开关闭合，电池内部发生突然触发的2.5Ω的内短路。内短路突然触发之后，电池内部温度上升到38oC，表面温度上升到28.2oC，这与附图8中的结果相近。综合附图7、附图8、附图9的结果，可以说明，本发明提出的所述具内短路功能的封装电池10可以实现定量可控的功能。
总结上述叙述中，各个测试结果中的充放电容量，以及最大温升，汇总于表2：
表2内短路系列测试关键结果汇总
表2中所提供的定量的测试数据为电池管理系统开发内短路早期检测算法提供了重要的依据。可以根据表2中的实验结果，以及利用本发明所提出的所述具有内短路功能的封装电池100来给出内短路早期检测算法检出内短路的判定准则。也可以使用本发明提出的所述具内短路功能的封装电池，选取一定的内短路电阻，施加一定的电流工况，来验证所开发的内短路早期检测算法的有效性和可靠性。
综上所述，本发明提出了一种动力电池内短路模拟的封装结构，该结构可以提供一种电池封装方案，在电池内部插入给定阻值的贴片电阻来获得具有内短路功能的封装电池，从而定量模拟动力电池内短路的发生。内部插入的电阻不影响电池本身的电化学性能，能够较好地模拟电池内部的短路时，电池电化学效应以及热效应，可以用实验模拟电池电压与温度的变化情况。同时，由于阻值固定，可以定量地观察不同程度内短路情况下，电池的电压与温度的变化情况。该方法可重复性好，只需按动开关即可方便触发内短路。从而能够定量地评估不同程度内短路情况下，电池的危险程度，也能够用于开发内短路检测算法，并定量评估内短路检测算法的有效性。该方案对评估电池内短路早期检测算法具有重要的意义，将有助于提高动力电池安全管理的可靠性，减少动力电池安全性事故的发生。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种动力电池内短路模拟的封装结构，其包括一壳体、一盖体、一内短路模拟电路，所述壳体具有一收容空间以及一个开口，所述盖体包括一个盖板、两个极耳、两个极柱，所述两个极耳和所述两个极柱分别间隔相对设置在盖板的两侧，所述内短路模拟电路包括一个开关，一个定值电阻，以及导线，所述定值电阻通过导线以及开关与所述两个极耳电连接。
2.如权利要求1所述的动力电池内短路模拟的封装结构，其特征在于，所述收容空间用于收容所述定值电阻以及所述两个极柱。
3.如权利要求2所述的动力电池内短路模拟的封装结构，其特征在于，所述开口的面积与所述盖板的面积相同。
4.如权利要求1所述的动力电池内短路模拟的封装结构，其特征在于，所述两个极耳分别与所述两个极柱电连接。
5.如权利要求4所述的动力电池内短路模拟的封装结构，其特征在于，所述定值电阻的一端通过导线与所述开关电连接后再与所述两个极耳中的一个电连接，所述定值电阻的另一端通过导线直接与所述两个极耳中的另一个电连接。
6.如权利要求5所述的动力电池内短路模拟的封装结构，其特征在于，所述开关闭合后，所述定值电阻与所述两个极耳电连通。
7.如权利要求1所述的动力电池内短路模拟的封装结构，其特征在于，所述定值电阻固定于所述收容空间内。
8.如权利要求7所述的动力电池内短路模拟的封装结构，其特征在于，所述定值电阻固定于所述收容空间的中央。
9.如权利要求7所述的动力电池内短路模拟的封装结构，其特征在于，所述收容空间用于收纳至少两个并联的电池单体，所述定值电阻夹持于该两个并联的电池单体之间。
10.如权利要求1所述的动力电池内短路模拟的封装结构，其特征在于，所述壳体为金属材料制成。
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