CN106646257A - 一种检测锂离子电池热失控扩散的测试平台和测试方法 - Google Patents

一种检测锂离子电池热失控扩散的测试平台和测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种检测锂离子电池热失控扩散的测试平台，包括放置待测试电池模块的防爆型环境箱、短路设备和充放电设备，所述短路设备通过导线与防爆型环境箱内待测试电池连接，所述充放电设备通过导线与防爆型环境箱内待测试电池模块连接，所述防爆型环境箱顶部设置有高速摄像机；所述防爆型环境箱的气体出口连接有烟雾分析装置。本发明所提供的测试平台具备以下优点：提供了锂离子电池热失控扩散研究的主要项目测试平台，做到了整体测试以及数据采集的集成。采用本发明提出的测试方法，可以建立锂离子动力电池热失控扩散研究方法，确定预测热失控蔓延到电池模块时间的所需采集的数据，分析规律，建立预测模型。

Description

一种检测锂离子电池热失控扩散的测试平台和测试方法
技术领域
本发明属于二次电池领域，具体涉及一种锂离子电池安全性能测试的设备和测试的方法。
背景技术
锂离子动力电池作为新能源汽车的核心部件，其安全性问题一直备受关注，然后随着新能源汽车产销量的快速增长，安全事故也有明显增多。据不完全统计，从2011年截至到2015年底，国内外累积发生电动汽车安全事故39例。由此可以推断通过了安全法规标准测试后的锂离子电池产品依然存在发生安全问题的风险。并且锂离子动力电池相比于手机、笔记本电脑用锂电池的能量密度更高，因此安全风险也更高。
目前对于锂离子单体电池的热失控的研究较多(Journal of Power Sources2003,119–121(0),821-825；Journal of Power Sources 2012,210(0),243-253；Journalof Power Sources 2006,161(2),1341-1345.)，而对于电池模块或者电池系统的热失控试验以及其中某个电池或电池模块发生热失控后扩展研究很少(《中国测试》,2015,41(5):125-128),研究的激发方法相对单一。新能源汽车上往往需要装配数百甚至数千只锂离子动力电池，如果其中一只电池发生热失控，很容易将热量传导到周围的电池而造成热失控的扩散，从而引起连锁反应，发生更为剧烈的起火和爆炸。然而，现行标准中缺乏锂离子动力电池热失控造成电池系统和整车发生燃烧事故的安全测试，即缺乏热失控扩散相关的检测项目，该类检测项目可以提出基本的防护及逃生时间要求。
发明内容
针对本技术领域存在的不足之处，本发明的目的是建立多种热失控激发方式的锂离子电池热失控扩散的研究方法并建立测试平台，应用于以下方面：
(1)建立锂离子动力电池热失控扩散的研究方法，可以为相关企业对于电池模块和电池系统的安全设计提供建议方案，并提供安全设计的验证方法；
(2)锂离子动力电池安全等级划分以及热失控扩散的研究，可以为相关标准的制定提供参考依据。
实现本发明上述目的技术方案为：
一种检测锂离子电池热失控扩散的测试平台，包括放置待测试电池模块的防爆型环境箱、短路设备和充放电设备，所述短路设备通过导线与防爆型环境箱内待测试电池连接，所述充放电设备通过导线与防爆型环境箱内待测试电池模块连接；
所述防爆型环境箱顶部设置有高速摄像机；所述防爆型环境箱的气体出口连接有烟雾分析装置。
进一步地，所述充放电设备连接有数据采集单元，所述数据采集单元连接有多个热电偶；所述防爆型环境箱内设置有加热板，加热板可紧贴激发电池表面进行加热；
其中，所述防爆型环境箱的气体出口通过管路连接有气相色谱质谱联用仪(GCMS)或气体分析仪。
一种检测锂离子电池热失控扩散的测试方法，包括以下测试项目：电池模块的短路激发、电池模块的过充电激发、电池模块的过放电激发、电池模块的加热激发；
在测试中获取电池模块的温度、外观、电压随时间变化的数据，确定电池模块的热失控扩散过程状态参数。
进一步地，所述电池模块的短路激发测试条件为：
-40～65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30～120min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；向电池模块中的中心位置的单体电池进行短路激发；
记录电池模块中短路电池的电压、短路电流和温度变化以及相邻的电池的温度变化，测试实验前后的模块的状态和重量；
其中，短路电阻为0.5mΩ～5mΩ，短路时间为10～30min。
所述电池模块的过充电激发测试条件为：
25～65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30～60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；向电池模块中的中心位置的单体电池进行过充电激发；记录电池模块中过充电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化，测试实验前后的模块的状态和重量；
其中，过充电的电流大小为1C～3C，过充电时间为30min～90min。
所述电池模块的过放电激发测试条件为：
-40～65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30～120min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；向电池模块中的中心位置的单体电池进行过放电激发；
记录电池模块中过放电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
其中，过放电的电流大小为1C～3C，过放电电时间为30～90min。
所述电池模块的加热激发测试条件为：
25～65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30～60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致，向电池模块中的中心位置的单体电池进行加热激发；
记录电池模块中加热电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量；
其中，过加热温度为150℃和300℃，加热时间为30～60min。
其中，所述电池模块为软连接或硬连接；对于软连接电池模块，加热板放置在待测单体电池表面；对于硬连接电池模块，加热板放置在电池模块一端的待测单体电池表面。
其中，用热电偶获取电池模块中各个电池的表面中心温度，对于N个电池串联的电池模块，设置2N个热电偶，模块中的每一只单体电池配置两个热电偶，分别与电池上表面和下表面接触。
本发明的有益效果在于：
本发明所提供的测试平台具备以下优点：提供了锂离子电池热失控扩散研究的主要项目测试平台，做到了整体测试以及数据采集的集成。
采用本发明提出的测试方法，可以建立锂离子动力电池热失控扩散研究方法，确定预测热失控蔓延到电池模块(整个电池系统)时间(逃生时间)的所需采集的数据，分析规律，建立预测模型。探索电池升温速率、电压下降速率、内阻变化等参数与整个模块发生鼓胀、升温、冒烟、起火、爆炸等现象所需时间的关系，并对于锂离子动力电池的安全等级的进行划分，研究电池冒烟、漏液等造成的安全风险，从而补充现有对于锂离子动力电池产品安全性的判定方法，并提出电池模块安全设计的建议。
附图说明
图1为测试平台设备组成示意图；
图2为实施例2通过测试平台测试得到的锂离子电池过充电曲线
图3为进行模块热扩散试验前后的视频截图。
图中，1：防爆型环境箱，2：短路设备，3：充放电设备，4：加热板，5：安全锁，6：数据采集单元。
具体实施方式
下面通过最佳实施例来说明本发明。本领域技术人员所应知的是，实施例只用来说明本发明而不是用来限制本发明的范围。
实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。
实施例1：
参见图1，一种检测锂离子电池热失控扩散的测试平台，包括放置待测试电池模块的防爆型环境箱1(日本Espec BPU-4J)、短路设备(1ms采样频率)和充放电设备(比利时PEC公司SBT8050型)，短路设备2通过导线与防爆型环境箱内待测试电池连接，所述充放电设备通过导线与防爆型环境箱内待测试电池模块连接；防爆型环境箱1设置有安全锁5，顶部为透明观察窗，观察窗上方设置高速摄像机(图中未示出)；防爆型环境箱1顶部还开有排烟孔，在排烟孔处设置有分流装置，分流出的管线连接烟雾分析装置(GCMS)。
充放电设备3连接有数据采集单元6，数据采集单元6连接有多个热电偶。加热板4的厚度约1cm。
采用所述的测试平台，进行短路激发锂离子电池模块热失控扩散试验。电池模块为5个单体串联，采用软连接，每个单体电池包覆有隔热层，热电偶有10个，分别放置在各电池单体两端(将热电偶外包皮去掉，其直径有7mm，贴着电池表面)。测试过程为：
1)25℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行短路激发，短路电阻为0.5mΩ，短路时间10min；
3)记录电池模块中短路电池的电压、短路电流(每1ms采集一次)和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例2
本实施例用于说明使用过充电激发的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)25℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行过充电激发，过充电的电流大小为1C，过充电时间分别为90min；
3)记录电池模块中过充电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例3
本实施例用于说明本发明提供的使用过放电的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)25℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行过放电激发，过放电的电流大小为1C，过放电电时间分别为90min；
3)记录电池模块中过放电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例4
本实施例用于说明本发明提供的使用加热的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)25℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行加热(电池模块为通过导线、隔热材料软连接的模块，将加热板插入中心位置，贴着待测单体电池)，加热温度为150℃，加热时间为60min；
3)记录电池模块中加热电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化，用高速摄像机记录电池模块外观变化(图3左图为加热之前，右图为加热之后)，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例5
本实施例用于说明本发明提供的使用短路激发的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)25℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行短路激发，短路电阻为<5mΩ，短路时间>10min；
3)记录电池模块中短路电池的电压、短路电流和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例6
本实施例用于说明本发明提供的使用过充电激发的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)25℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行过充电激发，过充电的电流大小为3C，过充电时间分别为30min；
3)记录电池模块中过充电电池的电压(见图2)和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例7
本实施例用于说明本发明提供的使用过放电的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)25℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行过放电激发，过放电的电流大小为3C，过放电电时间分别为30min；
3)记录电池模块中过放电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例8
本实施例用于说明本发明提供的使用加热的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台同实施例1。电池模块为硬连接。
1)25℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)加热板用耐热胶固定在电池模块一端，进行加热激发，加热温度为300℃，加热时间为30min；
3)记录电池模块中加热电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例9
本实施例用于说明本发明提供的使用短路激发的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)45℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行短路激发，短路电阻为<5mΩ，短路时间>10min；
3)记录电池模块中短路电池的电压、短路电流和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例10
本实施例用于说明本发明提供的使用过充电激发的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)45℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行过充电激发，过充电的电流大小为3C，过充电时间分别为30min；
3)记录电池模块中过充电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例11
本实施例用于说明本发明提供的使用过放电的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)45℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行过放电激发，过放电的电流大小为3C，过放电电时间分别为30min；
3)记录电池模块中过放电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例12
本实施例用于说明本发明提供的使用加热的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)45℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行加热激发，加热温度为300℃，加热时间为30min；
3)记录电池模块中加热电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例13
本实施例用于说明本发明提供的使用短路激发的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行短路激发，短路电阻为<5mΩ，短路时间>10min；
3)记录电池模块中短路电池的电压、短路电流和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例14
本实施例用于说明本发明提供的使用过充电激发的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行过充电激发，过充电的电流大小为3C，过充电时间分别为30min；
3)记录电池模块中过充电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例15
本实施例用于说明本发明提供的使用过放电的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行过放电激发，过放电的电流大小为3C，过放电电时间分别为30min；
3)记录电池模块中过放电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
实施例16
本实施例用于说明本发明提供的使用加热的锂离子电池模块热失控扩散试验。测试平台和连接方式同实施例1。
1)65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；
2)向步骤1)模块中的中心位置的单体电池进行加热激发，加热温度为150℃，加热时间为30min；
3)记录电池模块中加热电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种检测锂离子电池热失控扩散的测试平台，其特征在于，包括放置待测试电池模块的防爆型环境箱、短路设备和充放电设备，所述短路设备通过导线与防爆型环境箱内待测试电池连接，所述充放电设备通过导线与防爆型环境箱内待测试电池模块连接；
所述防爆型环境箱顶部设置有高速摄像机；所述防爆型环境箱的气体出口连接有烟雾分析装置。
2.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，所述充放电设备连接有数据采集单元，所述数据采集单元连接有多个热电偶；所述防爆型环境箱内设置有加热板。
3.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，所述防爆型环境箱的气体出口通过管路连接有气相色谱质谱联用仪或气体分析仪。
4.一种检测锂离子电池热失控扩散的测试方法，其特征在于，包括以下测试项目：电池模块的短路激发、电池模块的过充电激发、电池模块的过放电激发、电池模块的加热激发；
在测试中获取电池模块的温度、外观、电压随时间变化的数据，确定电池模块的热失控扩散过程状态参数。
5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述电池模块的短路激发测试条件为：
-40～65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30～120min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；向电池模块中的中心位置的单体电池进行短路激发；
记录电池模块中短路电池的电压、短路电流和温度变化以及相邻的电池的温度变化，测试实验前后的模块的状态和重量；
其中，短路电阻为0.5mΩ～5mΩ，短路时间为10～30min。
6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述电池模块的过充电激发测试条件为：
25～65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30～60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；向电池模块中的中心位置的单体电池进行过充电激发；记录电池模块中过充电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化，测试实验前后的模块的状态和重量；
其中，过充电的电流大小为1C～3C，过充电时间为30min～90min。
7.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于，所述电池模块的过放电激发测试条件为：
-40～65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30～120min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致；向电池模块中的中心位置的单体电池进行过放电激发；
记录电池模块中过放电电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化等，测试实验前后的模块的状态和重量。
其中，过放电的电流大小为1C～3C，过放电电时间为30～90min。
8.根据权利要求4～7任一项所述的测试方法，其特征在于，所述电池模块的加热激发测试条件为：
25～65℃下，在环境箱内放入一个电池模块，静置30～60min，保证电池模块整体温度与环境箱内温度一致，向电池模块中的中心位置的单体电池进行加热激发；
记录电池模块中加热电池的电压和温度变化以及相邻的电池的温度变化、测试实验前后的模块的状态和重量；
其中，过加热温度为150℃和300℃，加热时间为30～60min。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，所述电池模块为软连接或硬连接；对于软连接电池模块，加热板放置在待测单体电池表面；对于硬连接电池模块，加热板放置在电池模块一端的待测单体电池表面。
10.根据权利要求4～7任一项所述的测试方法，其特征在于，用热电偶获取电池模块中各个电池的表面中心温度，对于N个电池串联的电池模块，设置2N个热电偶，模块中的每一只单体电池配置两个热电偶，分别与电池上表面和下表面接触。
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