CN107533112A - 用于对二次电池进行钉子穿刺测试的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于对二次电池进行钉子穿刺测试的设备和方法。用于进行所述钉子穿刺测试的设备包括：台架，将作为钉子穿刺测试的对象的二次电池固定在所述台架上；钉子穿刺单元，其包括钉子升/降装置；电压测量单元，其被配置为在钉子穿刺测试期间以时间间隔重复测量二次电池的短路电压；以及控制器，其操作地耦合至所述电压测量单元。控制器周期性地从所述电压测量单元接收短路电压，每当接收到短路电压时确定短路电流，该短路电流允许将接收到的短路电压施加在模型化二次电池的等效电路的最外层节点之间，并且通过显示单元在视觉上输出所确定的短路电流的值随时间的变化。

Description

用于对二次电池进行钉子穿刺测试的设备和方法
技术领域
本公开涉及一种用于对二次电池进行钉子穿刺测试的设备和方法，并且更具体地，涉及一种用于进行钉子穿刺测试的设备和方法，当钉子穿刺到二次电池中时，该设备和方法能够通过使用二次电池的等效电路容易地预测流过二次电池的短路电流的变化。
本申请要求于2015年9月9日在韩国提交的韩国专利申请第10-2015-0127839号的优先权，其公开内容以引用的方式并入本文。
背景技术
二次电池通过电化学氧化和还原反应生成电能，并且广泛地用于多种用途。二次电池的使用范围逐渐扩大。例如，二次电池用于通过人手携带的设备——诸如移动电话、膝上型计算机、数码相机、摄像机、平板计算机、和电动工具，各种电动式设备——诸如电动自行车、电动摩托车、电动汽车、混合动力汽车、电动船、和电动飞机、用于存储通过新再生能量或者剩余发电生成的电力的蓄电设备、以及用于向包括用于进行通信的服务计算机和基站的各种信息通信设备稳定供电的不间断电力系统。
二次电池具有如下结构：利用封装材料内的电解液密封电极组件并且使分别具有不同极性的两个电极端子露在该封装材料的外部。电极组件包括多个单位电池，并且单位电池至少包括其间具有多孔分离层的负极板和正极板。负极板和正极板涂覆有活性材料，并且二次电池通过在活性材料与电解液之间的电化学反应进行充电或者放电。
同时，在将来自尖锐物体的较大冲击力施加到二次电池的情况下，相关物体可以穿刺到封装材料中，从而甚至穿刺到在电极组件中包括的分别具有不同极性的电极板中。在这种情况下，具有不同极性的电极板通过金属物体彼此电气连接，并且形成短路，并且非常大的短路电流在几秒内在金属物体与由金属物体穿刺的电极板之间流动。当短路电流流过时，通过电极板生成大量的热量，并且电解液通过这种热量迅速分解，从而生成大量的气体。由于电解液的分解反应与放热反应对应，所以二次电池的温度在尖锐物体已穿刺的点周围局部地迅速升高，因此，二次电池着火并被烧坏。
因此，当开发新二次电池时，在进行商品化之前通过钉子穿刺测试来验证二次电池的穿刺安全性。钉子穿刺测试(nail penetration test)是如下测试：将二次电池装载在测量二次电池的温度和电压的测试设备上，通过允许预先制备的具有各种直径的尖锐金属钉穿刺到二次电池中来有意地引起二次电池内部的短路，根据钉子的直径和穿刺速度来测量二次电池的温度和电压的变化，并且用肉眼确定二次电池是否着火。
然而，相关领域的穿刺测试设备具有不必要地毁坏大量的二次电池以便确定二次电池着火的穿刺条件的问题。
而且，为了准确地研究二次电池的点火机构，应该通过测量流过钉子穿刺点的短路电流的大小随时间的变化来定量计算由短路电流生成的热量的变化。
而且，需要通过考虑从穿刺点生成的热量以及二次电池的热传导特性来热力学地分析钉子穿刺点的温度是否可以迅速升高至点火温度。
然而，由于短路电流在非常短的时间内通过钉子穿刺点局部地流过二次电池的内部，所以基本上不可能直接测量短路电流。
因此，相关领域的钉子穿刺测试设备具有在金属物体已经穿刺到二次电池中时准确地研究点火机制的限制。
发明内容
技术问题
本公开的目的是解决相关领域的问题，因此，本公开涉及提供用于对二次电池进行钉子穿刺测试的方法和设备，该方法和设备能够在对二次电池进行穿刺测试中预测在二次电池内部流动的短路电流的大小的变化并且定量分析钉子穿刺点的发热特性。
[技术解决方案]
在本公开的一个方面中，提供了用于对二次电池进行钉子穿刺测试的设备，该设备包括：台架，将作为钉子穿刺测试的对象的二次电池固定在台架上；钉子穿刺单元，该钉子穿刺单元包括穿刺到二次电池中的钉子以及被配置为使钉子上升或者下降的钉子升/降装置；电压测量单元，该电压测量单元耦合至二次电池的电极，并且被配置为在进行钉子穿刺测试时以时间间隔重复测量二次电池的短路电压；以及控制器，该控制器操作地耦合至电压测量单元，其中，控制器控制钉子穿刺单元以使钉子下降，使得钉子穿刺到二次电池中，控制器周期性地从电压测量单元接收短路电压，每当接收到短路电压时基于模型化二次电池的等效电路确定短路电流，该短路电流允许将接收到的短路电压施加在等效电路的最外层节点之间，并且控制器在视觉上输出所确定的短路电流的值随时间的变化。
等效电路可以包括串联电阻器、至少一个RC电路、和根据二次电池的充电状态而改变电压的开路电压源作为多个电路元件。该多个电路元件可以彼此串联连接。
优选地，控制器可以通过使用以下公式①来确定短路电流。
ishort＝(Vshort-VRC-VOCV)/R0……….…①
(其中，ishort是短路电流，Vshort是由电压测量单元测量的短路电压，VRC是由RC电路施加的电压，VOCV是取决于二次电池的充电状态的开路电压，以及R0是串联电阻器的电阻值)
优选地，控制器可以通过使用公式②对公式①的VRC进行时间更新。
在本公开的一个方面中，提供了用于对二次电池进行钉子穿刺测试的设备，该设备包括：台架，将作为钉子穿刺测试的对象的二次电池固定在台架上；钉子穿刺单元，该钉子穿刺单元包括穿刺到二次电池中的钉子以及被配置为使钉子上升或者下降的钉子升/降装置；电压测量单元，该电压测量单元耦合至二次电池的电极，并且被配置为在进行钉子穿刺测试时以时间间隔重复测量二次电池的短路电压；以及控制器，该控制器操作地耦合至电压测量单元，其中，控制器控制钉子穿刺单元以使钉子下降，使得钉子穿刺到二次电池中，控制器周期性地从电压测量单元接收短路电压，每当接收到短路电压时基于模型化二次电池的等效电路确定短路电流，该短路电流允许将接收到的短路电压施加在等效电路的最外层节点之间，并且控制器在视觉上输出所确定的短路电流的值随时间的变化。
等效电路可以包括串联电阻器、至少一个RC电路、和根据二次电池的充电状态而改变电压的开路电压源作为多个电路元件。该多个电路元件可以彼此串联连接。
优选地，控制器可以通过使用以下公式①来确定短路电流。
ishort＝(Vshort-VRC-VOCV)/R0……….…①
(其中，ishort是短路电流，Vshort是由电压测量单元测量的短路电压，VRC是由RC电路施加的电压，VOCV是取决于二次电池的充电状态的开路电压，以及R0是串联电阻器的电阻值)
优选地，控制器可以通过使用公式②对公式①的VRC进行时间更新。
VRC[k+1]＝VRC[k]e-Δt/R*C+R(1-e-Δt/R*C)ishort[k]……………..②
(其中，k是时间索引，VRC[k]是紧接在时间更新前的VRC的值，VRC[k+1]是经时间更新的VRC的值，Δt是VRC的时间更新周期，R和C分别是包括在RC电路中的电阻器和电容器的电阻值和电容值，ishort是在上一计算周期中确定的短路电流的预测值)
优选地，控制器可以通过使用以下公式③对作为二次电池的充电状态的SOC进行时间更新。而且，控制器可以通过使用经时间更新的充电状态以及预定义的“充电状态-开路电压查找表”来确定与经时间更新的充电状态相对应的二次电池的开路电压VOCV。
SOC[k+1]＝SOC[k]+100*ishort[k]Δt/Qcell…………………………..③
(其中，k是时间索引，SOC[k]是紧接在时间更新前的充电状态，SOC[k+1]是经时间更新的充电状态，ishort是在上一计算周期中确定的短路电流，Δt是充电状态SOC的时间更新周期，以及Qcell是二次电池的电容)
根据本公开的一个方面，控制器可以确定通过使用以下公式来确定作为钉子穿刺点的短路电阻的Rshort，并且在视觉上输出短路电阻随时间的变化。
Rshort＝Vshort/ishort……………………………………………………④
(其中，Rshort是钉子穿刺点的短路电阻，Vshort是由电压测量单元周期性地测量的二次电池的短路电压，以及ishort是与周期性地测量的二次电池的短路电压相对应的短路电流的预测值)
根据本公开的另一方面，控制器可以确定通过使用以下公式⑤来确定作为从钉子穿刺点生成的短路焦耳热量的Qshort，并且在视觉上输出短路焦耳热量随时间的变化。
Qshort＝ishort*Vshort……………………………………………………⑤
(其中，Qshort是从钉子穿刺点生成的短路焦耳热量，Vshort是由电压测量单元周期性地测量的二次电池的短路电压，以及ishort是与周期性地测量的二次电池的短路电压相对应的短路电流的预测值)
根据本公开的另一方面，控制器可以通过使用公式⑥来确定作为通过二次电池的电阻特性生成的电阻焦耳热量的Qcell，并且在视觉上输出电阻焦耳热量随时间的变化。
Qcell＝ishort*|Vshort-VOCV|……………………………………………⑥
(其中，Qcell是在钉子穿刺点处的通过二次电池的电阻特性生成的电阻焦耳热量，Vshort是由电压测量单元周期性地测量的二次电池的短路电压，ishort是与周期性地测量的二次电池的短路电压相对应的短路电流的预测值，以及VOCV是取决于二次电池的充电状态的开路电压的预测值)
优选地，该设备可以进一步包括：显示单元，该显示单元操作地耦合至控制器，控制器可以通过显示单元在视觉上输出短路电压、短路电流、短路电阻、短路焦耳热量、和电阻焦耳热量中的至少一个随时间的变化。
优选地，该设备可以进一步包括：存储器单元，该存储器单元操作地耦合至控制器，并且控制器可以将针对短路电压、短路电流、短路电阻、短路焦耳热量、和电阻焦耳热量的数据累积地存储在存储器单元中。
在本公开的另一方面中，还提供了用于对二次电池进行钉子穿刺测试的方法，该方法包括：将二次电池固定在台架上；允许钉子穿刺到二次电池中；以时间间隔重复测量通过二次电池的电极的短路电压；每当测量短路电压时确定短路电流，该短路电流允许基于模型化二次电池的等效电路将测量的短路电压施加在等效电路的最外层节点之间；并且根据时间在视觉上输出所确定的短路电流的变化。
该方法可以进一步包括：在视觉上输出短路电压随时间的变化。
该方法可以进一步包括：在视觉上输出根据短路电压和短路电流确定的短路电阻随时间的变化。
该方法可以进一步包括：在视觉上输出根据短路电压和短路电流确定的短路焦耳热量随时间的变化。
该方法可以进一步包括：通过使用短路电压、短路电流、以及从通过将短路电流相加而获得的充电状态计算得到的开路电压来计算电阻焦耳热量，并且在视觉上输出电阻焦耳热量随时间的变化。
可以通过计算机可读记录介质来实现技术目的，在该计算机可读记录介质中对用于对二次电池进行钉子穿刺测试的方法进行了编码和记录。
有利效果
根据本公开，能够在钉子穿刺到二次电池中时定量研究二次电池内部生成的短路电流的大小的变化。而且，能够通过使用所预测的短路电流来定量计算短路电阻的变化，或者钉子穿刺点的短路焦耳热量的变化，或者从二次电池的电阻生成的电阻焦耳热量的变化。
因此，本公开可以有效地用于研究穿刺点的热行为、发热的原因、以及在尖锐物体穿刺到二次电池中时的热量的变化，并且用于在制备二次电池的穿刺事故时开发冷却机制。
附图说明
附图图示了本公开的优选实施例，并且与前述公开一起用于提供对本公开的技术特征的进一步理解，因此，本公开不应解释为限于附图。
图1是示意性地图示了根据实施例的用于对二次电池进行钉子穿刺测试的设备的配置的框图。
图2是图示了作为钉子穿刺测试的对象的二次电池的等效电路的电路图。
图3和图4是图示了控制器通过使用图2的等效电路来确定在钉子穿刺到二次电池中之后流过二次电池内部的短路电流的过程的流程图。
图5是图示了在本公开的示例性实验中所测量的在钉子刚穿刺到二次电池中之后10秒内的短路电压Vshort的曲线(实线)以及通过使用等效电路所预测10秒内的短路电流ishort的曲线(虚线)的曲线图。
图6是示出了在本公开的示例性实验中所预测的10秒内短路电阻Rshort随时间的变化的短路电阻曲线。
图7是示出了在本公开的示例性实验中所预测的10秒内短路焦耳热量Qshort随时间的变化的短路焦耳热量曲线。
图8是示出了在本公开的示例性实验中所预测的10秒内电阻焦耳热量Qcell随时间的变化的电阻焦耳热量曲线。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的优选实施例。在描述之前，应该理解，基于允许发明人出于进行最佳解释来适当地定义术语的原则，在说明书和随附权利要求书中使用的术语不应该理解为限于一般含义和字典含义，而是应该基于与本公开的技术方面对应的含义和概念来进行解释。因此，仅出于说明的目的，本文所提出的描述仅仅是优选示例，而不旨在限制本公开的范围，因此应该理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对其进行其它等效物和修改。
图1是示意性地图示了根据实施例的用于对二次电池进行钉子穿刺测试的设备100的配置的框图。
参照图1，根据本公开的用于进行钉子穿刺测试的设备100包括台架110，将作为钉子穿刺测试的对象的二次电池B安装在台架110中。台架110可以安装在支撑框架111上并且可以在中心部分包括通窗112。通窗112提供已经穿刺到二次电池B中的钉子121的尖端穿过的空间。台架110可以包括多个夹持装置113，该多个夹持装置113被配置为选择性地将作为钉子穿刺测试的对象的二次电池B固定在其上部。
根据本公开的用于进行钉子穿刺测试的设备100还包括钉子穿刺单元120，该钉子穿刺单元120被配置为允许具有尖端的钉子121穿刺到台架110上方的二次电池B中。
钉子穿刺单元120包括钉子121和钉子升/降装置122，该钉子升/降装置122被配置为允许通过使钉子121快速下降而将钉子121穿刺到固定在台架110上的二次电池B中，并且在钉子穿刺测试终止之后将钉子121恢复至原始位置。
在实施例中，钉子升/降装置122包括：固定框架块1221，将钉子121的上端固定至固定框架块1221；升/降轨道1222，该升/降轨道1222被配置为将固定框架块1221固定在其上并且按照滑动的方式移动固定框架块1221；线性电动机1223，该线性电动机1223被配置为使固定框架块1221以期望的速度在升/降轨道1222上上升或者下降；以及电动机控制器1224，该电动机控制器1224被配置为控制线性电动机1223的旋转RPM和旋转方向。
同时，本公开不限于钉子升/降装置122的特定配置，并且可以容易地用线性致动器等替换线性电动机1223。
根据本公开的用于进行钉子穿刺测试的设备100还包括电压测量单元130，该电压测量单元130被配置为在钉子121穿刺到二次电池B中之后周期性地测量在二次电池B的正极P与负极N之间施加的端电压，并且输出与测量的端电压相对应的电压测量信号。在本文中，将端电压称为短路电压。电压测量单元130可以是电压表。本公开不限制执行电压测量的装置的种类。
根据本公开的用于进行钉子穿刺测试的设备100还包括控制器140，该控制器140被配置为在钉子121穿刺到二次电池B中之后通过从电压测量单元130接收电压测量信号来确定二次电池B的短路电压，通过使用等效电路，在假设将短路电压施加在等效电路的最外层节点之间的情况下计算流过二次电池B的等效电路的短路电流，并且生成示出短路电流随时间的变化的短路电流曲线。
可选地，控制器140可以通过所确定的短路电压和短路电流来可选地确定钉子121的穿刺点的短路电阻，并且生成示出短路电阻随时间的变化的短路电阻曲线。
而且，控制器140可以基于所确定的短路电压和短路电流来可选地确定从钉子穿刺点生成的局部短路焦耳热量，并且生成示出短路焦耳热量随时间的变化的短路焦耳热量曲线。
而且，控制器140可以通过将所确定的短路电流相加来确定二次电池的充电状态，然后参照预定义的“充电状态-开路电压查找表”来确定与充电状态对应的开路电压，基于所确定的开路电压、短路电压、和短路电流来确定通过二次电池的电阻特性生成的电阻焦耳热量，并且生成示出电阻焦耳热量随时间的变化的电阻焦耳热量曲线。
控制器140可以选择性地包括处理器、专用集成电路(ASIC)、不同的芯片集、逻辑电路、寄存器、通信调制解调器、数据处理单元等，以便执行下文所述的各种控制逻辑。
而且，在将控制逻辑实施为软件的情况下，可以将控制器140实施为程序模块。在这种情况下，可以将程序模块记录在存储介质上，并且程序模块可以由处理器执行。存储介质可以在处理器的内部或者外部，并且可以通过各种熟知的数据传输/接收装置连接至处理器。
根据本公开的用于进行钉子穿刺测试的设备100还包括存储器单元150，该存储器单元150被配置为存储包括控制器140的控制逻辑的钉子穿刺测试程序，并且存储在执行控制逻辑的过程期间生成的数据。
每当周期性地测量二次电池的短路电压时，控制器140可以从电压测量单元130接收与短路电压对应的电压信号，确定短路电压，并且将短路电压与从短路电压计算的短路电流一起存储在存储器单元150中，读取出存储在存储器单元150中的多个短路电压数据和多个短路电流数据，并且生成短路电压曲线和短路电流曲线。
每当周期性地确定短路电压和短路电流时，控制器140可以根据欧姆定律来确定短路电阻，将该短路电阻存储在存储器单元150中，读取出存储在存储器单元150中的多个短路电阻数据，并且生成短路电阻曲线。
每当周期性地确定短路电压和短路电流时，控制器140可以通过使用热量计算公式来确定从钉子穿刺点生成的局部短路焦耳热量，将局部短路焦耳热量存储在存储器单元150中，读取出存储在存储器单元150中的多个短路焦耳热量数据，并且生成短路焦耳热量曲线。
每当确定短路电流时，控制器140可以通过将短路电流相加来确定二次电池B的充电状态，参照“充电状态-开路电压查找表”来确定与所确定的充电状态相对应的二次电池的开路电压，基于所确定的开路电压、短路电压、和短路电流来确定从二次电池的电阻特性生成的电阻焦耳热量，将电阻焦耳热量存储在存储器单元150中，读取出存储在存储器单元150中的多个电阻焦耳热量数据，并且生成电阻焦耳热量曲线。
存储器单元150是半导体存储器装置，并且可以加载由控制器140执行的程序代码，记录、擦除、或者更新在控制器140执行各种控制逻辑时生成的数据。可以在可由控制器140访问的单独的电磁或者光学记录介质上记录程序代码。
只要存储器单元是本领域已知的半导体存储器装置，存储器单元150就不具体地限于存储器单元的种类。例如，存储器单元150可以是DRAM、SDRAM、闪速存储器、ROM、EEPROM、寄存器等。存储器单元150可以与控制器140物理地分离或者可以与控制器140一起集成到一个主体中。
根据本公开的用于进行钉子穿刺测试的设备100可以进一步包括显示单元160。该显示单元160可以是液晶显示器或者有机发光二极管显示器。然而，本公开不限于这些显示单元。因此，在本领域中已知的在视觉上输出信息的任何显示装置都可以包括在显示单元160的范围中。
控制器140可以通过利用存储在存储器单元140中的数据来生成短路电压曲线、短路电流曲线、短路电阻曲线、短路焦耳热量曲线、和电阻焦耳热量曲线中的至少一个，并且根据操作者的请求通过显示单元160在视觉上输出生成的曲线。
尽管在附图中未示出，根据本公开的用于进行钉子穿刺测试的设备100可以进一步包括输入装置，该输入装置允许操作者输入进行钉子穿刺测试所需的各种控制命令。输入装置可以操作地耦合至控制器140。输入装置可以包括键盘和鼠标，但是本公开不限于这些输入装置。
而且，根据本公开的用于进行钉子穿刺测试的设备100可以提供实施为软件的用户界面以允许操作者输入各种控制命令。
操作者可以在用户界面上设置钉子穿刺测试条件，请求由控制器140计算的数据随时间的变化的视觉输出，并且通过显示单元160识别相关数据随时间的变化。
钉子穿刺测试条件包括钉子的升/降速度、形成用于预测短路电流的电路模型的电路元件的电气参数，例如电阻值、电容值等、以及充电状态-开路电压查找表。
图2是图示了作为钉子穿刺测试的对象的二次电池的等效电路200的电路图。
参照图2，根据实施例的等效电路200包括：串联电阻器R0 210，该串联电阻器R0210模型化二次电池B的内部电阻；一个或者多个RC电路220a和220b，该一个或者多个RC电路220a和220b模型化电路流过二次电池B时电极的极化特性；以及开路电压源230，该开路电压源230模型化根据二次电池B的充电状态SOC唯一确定的二次电池B的开路电压。
优选地，等效电路200可以包括两个RC电路，以便独立地模型化二次电池B的正极和负极的极化特性。RC电路的数量可以减少至一个或者可以增加至三个或者更多个。
在下文中，为了便于描述，左RC电路是用于模型化正极的极化特性的电路，并将左RC电路称为第一RC电路220a，并且右RC电路是用于模型化负极的极化特性的电路，并将右RC电路称为第二RC电路220b。
形成等效电路200的电路部件的电阻值或电容值根据二次电池B的种类而改变并且可以通过实验适当地进行调谐。而且，可以通过使用由放电实验预定义的“充电状态-开路电压查找表”来确定由开路电压源230生成的电压。此处，放电实验表示在对二次电池B进行完全充电之后在以恒定电流对二次电池B进行放电的同时测量各个充电状态的开路电压的实验。而且，“充电状态-开路电压查找表”具有表格式的数据结构，能够从各个充电状态映射对应开路电压，或者相反，从各个开路电压映射充电状态。
本公开假设在钉子穿刺到二次电池B中时，流过二次电池B的内部的短路电流ishort等量地流过等效电流200。而且，本公开假设在短路电流ishort流动时在二次电池B的正极与负极之间测量的短路电压Vshort等量地施加在等效电路200的最外层节点之间。
根据以上假设，如公式1所示，可以通过施加至串联电阻器210的电压VR0、施加至第一RC电路220a的电压VRC1、施加至第二RC电路的电压VRC2、以及施加至开路电压源230的电压VOCV之和计算得到短路电压Vshort。
<公式1>
Vshort＝VR0+VRC1+VRC2+VOCV
由于VR0在公式1中是ishort*R0，所以在针对ishort整理公式1时，可以获得公式2。
<公式2>
ishort＝(Vshort-VRC1-VRC2-VOCV)/R0
在公式2中，可以将在二次电池B的正极与负极之间周期性地测量的电压值分配给Vshort并且经由测量进行更新。
在公式2中，可以由公式3通过应用时间离散模型对VRC1和VRC2进行时间更新。
<公式3>
VRC1[k+1]＝VRC1[k]e-Δt/R1*C1+R1(1-e-Δt/R1*C1)ishort[k]
VRC2[k+1]＝VRC2[k]e-Δt/R2*C2+R2(1-e-Δt/R2*C2)ishort[k]
在公式3中，Δt是时间更新周期，并且k和k+1是时间索引。VRC1[k]和VRC2[k]是紧接在时间更新前的电压值，并且VRC1[k+1]和VRC2[k+1]是时间更新后的电压值。R1和C1是包括在第一RC电路220a中的电阻器的电阻值和电容器的电容值并且可以通过实验调谐至合适的值。类似地，R2和C2是包括在第二RC电路220b中的电阻器的电阻值和电容器的电容值并且可以通过实验调谐至合适的值。Ishort[k]是紧接在时间更新前预测的短路电流值。
由于在钉子刚穿刺到二次电池B中之后的短路电流可忽略不计，所以可以将VRC1[1]、VRC2[1]和ishort[1]初始化为0。
在公式2中，VOCV可以通过使用公式4经由将流过等效电流200的短路电流相加对二次电池B的充电状态进行时间更新，并且参照“充电状态-开路电压查找表”查找与时间更新后的充电状态对应的开路电压的方法来确定。
<公式4>
SOC[k+1]＝SOC[k]+100*ishort[k]Δt/Qcell
在公式4中，Δt是充电状态的时间更新周期，并且Qcell是二次电池B的容量。在钉子刚穿刺到二次电池B之后，短路电流可忽略不计。因此，通过使用在钉子穿刺到二次电池B中之前测量的二次电池B的开路电压从“充电状态-开路电压查找表”获得的充电状态被分配给与初始条件相对应的SOC[1]的初始值。而且，从SOC[2]起，通过将从公式2获得的短路电流输入到公式4中来对充电状态进行时间更新和确定。
在下文中，对控制器140在钉子穿刺到二次电池B中时通过使用以上公式周期性地确定流过等效电路200的短路电流的过程进行了更具体的描述。
图3和图4是图示了根据实施例的控制器140通过使用图2的等效电路来在钉子刚穿刺到二次电池B中之后确定流过二次电池B内部的短路电流的过程的流程图。
如图所示，当首先开始进行钉子穿刺测试时，控制器140通过使用电压测量单元130来测量固定在台架110上的二次电池B的开路电压，并且将测量的开路电压存储在存储器单元150中(S100)。接着，控制器140将测量的开路电压分配给VOCV的初始值(S115)。
随后，控制器140将时间索引k初始化为1(S110)，将0分配给施加至等效电路200的第一RC电路220a的电压VRC1、施加至第二RC电路220b的电压VRC2、以及流过等效电路200的短路电流ishort的初始值，并且通过使用在操作S100测量的二次电池B的开路电压以及“充电状态-开路电压查找表”将作为二次电池的充电状态的SOC初始化(S120)。
随后，控制器140根据由操作者设置的钉子穿刺速度来控制钉子穿刺单元120以使钉子朝固定在台架110上的二次电池B下降，并且允许钉子穿刺到二次电池B中(S130)。
随后，控制器140确定从作为参考时间的穿刺时刻起是否已经过去了预设时间Δt(S140)。此处，Δt大体上与短路电流的计算周期相对应，例如，可以是100毫秒或者以下的时间值。
当在操作S140中确定Δt尚未过去时，控制器140使过程的进行待命。相反，当在操作S140中确定Δt已经过去时，控制器140进入操作S150。
在操作S150中，控制器140通过使用电压测量单元130来测量二次电池B的短路电压，将短路电压存储在存储器单元150中，并且将测量的短路电压分配给Vshort的值。
随后，控制器140通过将在操作S150中确定的Vshort的值、在操作S115中确定的VOCV的值、和在操作120中进行初始化的VRC1和VRC2的值输入到公式2中来确定短路电流ishort(S160)。
随后，控制器140确定预设钉子穿刺测试时间是否已经过去(S170)。例如，可以将钉子穿刺测试时间设置在几十秒内。
当在操作S170中确定钉子穿刺测试时间已经过去时，控制器140根据本公开结束过程。相反，当在操作S170中确定钉子穿刺测试时间未过去时，控制器140进入操作S180(参见图4)。
在操作S180中，控制器140通过将在操作S120中确定的VRC1和VRC2的初始值和在操作S160中确定的ishort的值输入到公式3中来对施加至第一RC电路220a的电压VRC1和施加至第二RC电路220b的电压VRC2进行时间更新。
<公式3>
VRC1[2]＝VRC1[1]e-Δt/R1*C1+R1(1-e-Δt/R1*C1)ishort[1]
VRC2[2]＝VRC2[1]e-Δt/R2*C2+R2(1-e-Δt/R2*C2)ishort[1]
随后，控制器140通过将在操作S160中确定的ishort的值和在操作S120中确定的二次电池B的充电状态SOC的初始值输入到公式4中来对二次电池B的充电状态SOC进行时间更新(S190)。
<公式4>
SOC[2]＝SOC[1]+100*ishort[1]Δt/Qcell
随后，控制器140通过使用在操作S190中确定的时间更新后的SOC的值以及“充电状态-开路电压查找表”来确定与时间更新后的SOC对应的开路电压，并且通过使用所确定的开路电压来对VOCV的值进行时间更新(S200)。
随后，控制器140将时间索引k增加1(S210)，并且进入操作S140。此后，当再次满足时间Δt已经过去的条件时，控制器140通过使用电压测量单元130再次测量二次电池B的短路电压，将短路电压存储在存储器单元150中，并且通过利用新测量的短路电压值替换Vshort的值来更新对Vshort的测量。
随后，控制器140通过再次将在操作S180和操作S200中进行时间更新的VRC1和VRC2以及VOCV和在操作S150中进行测量更新的Vshort输入到公式2中来确定在当前时间索引处的二次电池B的短路电流ishort(S160)。
在操作S170中，当不满足钉子穿刺测试时间已经过去的条件时，在操作S180、S190、和S200中使用上文确定的短路电流ishort对VRC1、VRC2、SOC、和VOCV进行时间更新。
随着时间索引k的增加，周期性地重复通过使用公式3和公式4对VRC1、VRC2、SOC、和VOCV进行时间更新和通过测量二次电池B的短路电压对Vshort的值进行测量更新，直到钉子穿刺测试时间过去为止，并且每当将更新的电压值——即VRC1、VRC2、和Vshort——输入到公式2中时对二次电池B的短路电流ishort的值进行时间更新。
优选地，控制器140可以将在操作S150中周期性地测量更新的Vshort的值累积地存储在存储器单元150中。而且，当接收到操作者的请求时，控制器140可以通过使用存储在存储器单元150中的多个短路电压数据Vshort来生成短路电压曲线，并且通过显示单元160在视觉上显示所生成的短路电压曲线。
而且，控制器140可以将在操作S160中通过使用公式2周期性地时间更新的ishort的值累积地存储在存储器单元150中。而且，当接收到操作者的请求时，控制器140可以通过使用存储在存储器单元150中的多个短路电流数据ishort来生成短路电流曲线，并且通过显示单元160在视觉上显示所生成的短路电流曲线。
同时，可选地，控制器140可以可选地预测相对于二次电池B的穿刺点的短路电阻并且将其变化生成为曲线。
即，每当时间索引增加时，控制器140可以通过使用在操作S150中测量更新的短路电压Vshort的值和在操作S160中时间更新的短路电流ishort的值，基于公式5来确定穿刺点的短路电阻，并且将短路电阻的所确定的值累积地存储在存储器单元150中。
<公式5>
Rshort＝Vshort/ishort
而且，当接收到操作者的请求时，控制器140可以通过使用存储在存储器单元150中的多个短路电阻数据Rshort来生成短路电阻曲线，并且通过显示单元160在视觉上显示所生成的短路电阻曲线。
而且，控制器140可以可选地预测从二次电池B的穿刺点生成的短路焦耳热量并且将其变化生成为曲线。
即，每当时间索引增加时，控制器140可以通过使用在操作S150中测量更新的短路电压Vshort的值和在操作S160中时间更新的短路电流ishort的值，基于公式6来确定短路焦耳热量，并且将短路焦耳热量的所确定的值累积地存储在存储器单元150中。
<公式6>
Qshort＝ishort*Vshort
而且，当接收到操作者的请求时，控制器140可以通过使用存储在存储器单元150中的多个短路焦耳热量数据Qshort来生成短路焦耳热量曲线，并且通过显示单元160在视觉上显示所生成的短路焦耳热量曲线。
而且，控制器140可以可选地预测在二次电池B的钉子穿刺测试期间由二次电池B的电阻——即，串联电阻器210与第一和第二RC电路220a和220b的电阻——生成的电阻焦耳热量并且将其变化生成为曲线。
即，每当时间索引增加时，控制器140可以通过使用在操作S150中测量更新的短路电压Vshort的值、在操作S160中时间更新的短路电流ishort的值、以及在操作S200中时间更新的VOCV的值，基于公式7来确定电阻焦耳热量，并且将电阻焦耳热量的所确定的值累积地存储在存储器单元150中。
<公式7>
Qcell＝ishort*|Vshort-VOCV|
同时，将由控制器140执行的一个或者多个不同的控制逻辑组合，并且可以将所组合的控制逻辑写入计算机可读代码系统中并且记录在计算机可读记录介质上。只要记录介质可由包括在计算机中的处理器访问，记录介质就不特别限于特定种类。例如，记录介质包括ROM、RAM、寄存器、CD-ROM、磁盘、硬盘、软盘、以及光学数据记录设备。而且，可以将代码系统调整为载波信号并且在特定时间点处包括在通信载体中，或者分布在经由网络连接的计算机上，并且由计算机存储并且执行。而且，用于实施所组合的控制逻辑的功能程序、代码、和代码段可以容易地由与本公开有关的技术领域的程序员推断出。
<示例性实验>
在下文中，通过示例性实验来描述本公开的效果。对于本领域的普通技术人员显而易见的是，由于在本说明书中描述的示例性实验是为了理解本公开而提供的，所以本公开的范围不限于示例性实验。
首先，已经制备了容量为37Ah以及充电状态为80％的袋式锂聚合物二次电池。接着，将所制备的二次电池装载在根据本公开的用于进行钉子穿刺测试的设备的台架上，并且利用夹持装置固定所制备的二次电池。而且，将二次电池的正极和负极连接至电压测量单元(电压表)。接着，将具有圆形横截面和6毫米的直径的金属钉安装在钉子穿刺单元上，然后通过使钉子以20mm/s的速度下降而允许钉子穿刺到二次电池中，并且维持这种状态20秒。
在进行钉子穿刺测试时，已经通过使用周期为100毫秒的电压表重复测量了二次电池的短路电压Vshort，并且将测量的短路电压存储在存储器单元150中。每当测量短路电压时，执行图3和图4中图示的算法，并且每当时间索引增加时，确定二次电池的短路电流ishort、短路电阻Rshort、短路焦耳热量Qshort、和电阻焦耳热量Qcell，并且将相应数据累积地存储在存储器单元150中。在本示例性实验中，已经大体上将相应参数的计算周期设置为与短路电压的测量周期相同。
在用于本示例性实验的等效电路中，已经将串联电阻值调谐至0.00102Ω。而且，已经将包括在第一RC电路中的电阻器和电容器的电阻值和电容值分别调谐至0.0003Ω和667F。而且，已经将包括在第二RC电路中的电阻器和电容器的电阻值和电容值分别调谐至0.0010Ω和2000F。
<实验结果>
图5是图示了示出在本公开的示例性实验中根据时间在钉子穿刺到二次电池中之后测量的10秒内的短路电压Vshort的变化的曲线(实线)以及示出通过使用等效电路预测的10秒内的短路电流ishort随时间的变化的曲线(虚线)的曲线图。
参照图5，可以看出，在钉子已经穿刺到二次电池中之后的1秒，短路电流ishort迅速增加，然后在2秒之后保持稳定。短路电流ishort的变化行为与短路电压Vshort的变化行为相反。即，这表明在1秒之后短路电压Vshort迅速减少，然后在2秒之后保持稳定。短路电压Vshort迅速减少的部分与短路电流ishort迅速增加的部分一致。该实验结果表明通过使用等效电路预测的短路电流ishort可以良好地模型化流过钉子实际穿刺的部分的短路电流。
图6是示出了在本公开的示例性试验中所预测的10秒内的短路电阻Rshort随时间的变化的短路电阻曲线，图7是在本公开的示例性试验中所预测的10秒内的短路焦耳热量Qshort随时间的变化的短路焦耳热量曲线，并且图8是示出了在本公开的示例性实验中所预测的10秒内的电阻焦耳热量Qcell随时间的变化的电阻焦耳热量曲线。
参照图6至图8，短路电阻Rshort在短路电流ishort迅速增加的时间段中示出迅速减少模式。而且，这表明了短路焦耳热量Qshort和电阻焦耳热量Qcell在短路电流ishort迅速增加的时间段中迅速增加。而且，这表明了电阻焦耳热量Qcell比短路焦耳热量Qshort的1/100的水平更小。
这些实验结果表明根据本公开的用于进行钉子穿刺测试的设备可以有效地用于定量研究钉子穿刺点的热行为、发热原因、以及在尖锐物体穿刺到二次电池中时的热量的变化，并且用于在制备二次电池的穿刺事故时开发冷却机构。
在描述本申请的各种实施例时，应该将称为‘单元’的元件理解成在功能上划分的元件，而不是在物理上划分的元件。因此，各个元件可以选择性地与另一元件集成在一起，或者各个元件可以划分成高效执行(多个)控制逻辑的子元件。然而，即使元件被集成或者划分，但在可以识别功能身份时，对于本领域的普通技术人员显而易见的是，集成元件或者划分元件应该理解为在本申请的范围内。
尽管已经通过限制性实施例和附图描述了本申请，但本申请不限于这些限制性实施例和附图，并且显而易见的是，在本申请的公开内容和随附权利要求书的等效范围内，可以由与本申请有关的本领域的技术人员做出各种改变和修改。
工业实用性
根据本公开，能够在钉子穿刺到二次电池中时定量研究通过二次电池的内部生成的短路电流的大小的变化。而且，能够通过使用短路电流来定量计算短路电阻的变化，或者钉子穿刺点的短路焦耳热量的变化，或者从二次电池的电阻生成的电阻焦耳热量的变化。
因此，本公开可以有效地用于定量研究钉子穿刺点的热行为、发热的原因、以及在尖锐物体穿刺到二次电池中时的热量的变化，并且用于开发冷却机构以应付二次电池的穿刺事故。

Claims (14)

1.一种用于对二次电池进行钉子穿刺测试的设备，所述设备包括：
台架，将作为所述钉子穿刺测试的对象的所述二次电池固定在所述台架上；
钉子穿刺单元，所述钉子穿刺单元包括穿刺到所述二次电池中的钉子以及被配置为使所述钉子上升或者下降的钉子升/降装置；
电压测量单元，所述电压测量单元耦合至所述二次电池的电极，并且被配置为在进行所述钉子穿刺测试时以时间间隔重复测量所述二次电池的短路电压；
显示单元，所述显示单元被配置为在视觉上显示信息；以及
控制器，所述控制器操作地耦合至所述电压测量单元，
其中，所述控制器控制所述钉子穿刺单元以使所述钉子下降，使得所述钉子穿刺到所述二次电池中，所述控制器周期性地从所述电压测量单元接收所述短路电压，每当接收到所述短路电压时基于模型化所述二次电池的等效电路确定短路电流，所述短路电流允许将接收到的短路电压施加在所述等效电路的最外层节点之间，并且所述控制器通过所述显示单元在视觉上输出所确定的短路电流的值随时间的变化。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述等效电路包括串联电阻器、至少一个RC电路、和取决于所述二次电池的充电状态而改变电压的开路电压源作为多个电路元件，所述多个电路元件彼此串联连接。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述控制器通过使用以下公式来确定所述短路电流：
ishort＝(Vshort-VRC-VOCV)/R0
其中，ishort是短路电流，Vshort是由所述电压测量单元测量的短路电压，VRC是由所述RC电路施加的电压，VOCV是取决于所述二次电池的充电状态的开路电压，以及R0是所述串联电阻器的电阻值。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述控制器通过使用以下公式对VRC进行时间更新：
VRC[k+1]＝VRC[k]e-Δt/R*C+R(1-e-Δt/R*C)ishort[k]
其中，k是时间索引，VRC[k]是紧接在时间更新前的VRC的值，VRC[k+1]是经时间更新的VRC的值，Δt是VRC的时间更新周期，R和C分别是包括在所述RC电路中的电阻器的电阻值和电容器的电容值，以及ishort是在上一计算周期中确定的短路电流的预测值；
所述控制器通过使用以下公式对作为所述二次电池的充电状态的SOC进行时间更新：
SOC[k+1]＝SOC[k]+100*ishort[k]Δt/Qcell
其中，k是时间索引，SOC[k]是紧接在时间更新前的充电状态，SOC[k+1]是经时间更新的充电状态，ishort是在上一计算周期中确定的短路电流，Δt是充电状态SOC的时间更新周期，以及Qcell是所述二次电池的容量；以及
所述控制器通过使用所述经时间更新的充电状态以及预定义的“充电状态-开路电压查找表”来确定与所述经时间更新的充电状态相对应的所述二次电池的开路电压VOCV。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器通过使用以下公式来确定作为钉子穿刺点的短路电阻的Rshort：
Rshort＝Vshort/ishort
其中，Rshort是所述钉子穿刺点的短路电阻，Vshort是由所述电压测量单元周期性地测量的所述二次电池的短路电压，以及ishort是与周期性地测量的所述二次电池的短路电压相对应的短路电流的预测值，以及
通过所述显示单元在视觉上输出所述短路电阻随时间的变化。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器通过使用以下公式来测量作为从钉子穿刺点生成的短路焦耳热量的Qshort：
Qshort＝ishort*Vshort
其中，Qshort是从所述钉子穿刺点生成的短路焦耳热量，Vshort是由所述电压测量单元周期性地测量的所述二次电池的短路电压，以及ishort是与周期性地测量的所述二次电池的短路电压相对应的短路电流的预测值，以及
通过所述显示单元在视觉上输出所述短路焦耳热量随时间的变化。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器通过使用以下公式来确定在所述二次电池的穿刺点处的作为通过所述二次电池的电阻特性生成的电阻焦耳热量的Qcell：
Qcell＝ishort*|Vshort-VOCV|
其中，Qcell是在钉子穿刺点处的通过所述二次电池的电阻特性生成的电阻焦耳热量，Vshort是由所述电压测量单元周期性地测量的所述二次电池的短路电压，ishort是与周期性地测量的所述二次电池的短路电压相对应的短路电流的预测值，以及VOCV是取决于所述二次电池的充电状态的开路电压的预测值，以及
通过所述显示单元在视觉上输出所述电阻焦耳热量随时间的变化。
8.一种用于对二次电池进行钉子穿刺测试的方法，所述方法包括：
(a)将所述二次电池固定在台架上；
(b)允许钉子穿刺到所述二次电池中；
(c)以时间间隔重复测量通过所述二次电池的电极的短路电压；
(d)每当测量短路电压时基于模型化所述二次电池的等效电路确定短路电流，所述短路电流允许将所测量的短路电压施加在所述等效电路的最外层节点之间；以及
(e)在视觉上输出所确定的短路电流的变化。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述等效电路包括串联电阻器、至少一个RC电路、和取决于所述二次电池的充电状态而改变电压的开路电压源作为多个电路元件，所述多个电路元件彼此串联连接。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述操作(d)包括：通过使用以下公式来确定所述短路电流：
ishort＝(Vshort-VRC-VOCV)/R0
其中，ishort是短路电流，Vshort是由电压测量单元测量的短路电压，VRC是由所述RC电路施加的电压，VOCV是取决于所述二次电池的充电状态的开路电压，以及R0是所述串联电阻器的电阻值。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述操作(d)包括：
(d1)通过使用以下公式对VRC进行时间更新：
VRC[k+1]＝VRC[k]e-Δt/R*C+R(1-e-Δt/R*C)ishort[k]
其中，k是时间索引，VRC[k]是紧接在时间更新前的VRC的值，VRC[k+1]是经时间更新的VRC的值，Δt是VRC的时间更新周期，R和C分别是包括在RC电路中的电阻器的电阻值和电容器的电容值，以及ishort是在上一计算周期中确定的短路电流的预测值；
(d2)通过使用以下公式对作为所述二次电池的充电状态的SOC进行时间更新：
SOC[k+1]＝SOC[k]+100*ishort[k]Δt/Qcell
其中，k是时间索引，SOC[k]是在紧接时间更新前的充电状态，SOC[k+1]是经时间更新的充电状态，ishort是在上一计算周期中确定的短路电流，Δt是充电状态SOC的时间更新周期，以及Qcell是所述二次电池的容量；以及
(d3)通过使用所述经时间更新的充电状态以及预定义的“充电状态-开路电压查找表”来确定与所述经时间更新的充电状态相对应的所述二次电池的开路电压VOCV。
12.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括：
通过使用以下公式来确定作为钉子穿刺点的短路电阻的Rshort：
Rshort＝Vshort/ishort
其中，Rshort是所述钉子穿刺点的短路电阻，Vshort是由电压测量单元周期性地测量的所述二次电池的短路电压，以及ishort是与周期性地测量的所述二次电池的短路电压相对应的短路电流的预测值；以及
在视觉上输出所述短路电阻的变化。
13.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括：
通过使用以下公式来确定作为从钉子穿刺点生成的短路焦耳热量的Qshort：
Qshort＝ishort*Vshort
其中，Qshort是从所述钉子穿刺点生成的短路焦耳热量，Vshort是由电压测量单元周期性地测量的所述二次电池的短路电压，以及ishort是与周期性地测量的所述二次电池的短路电压相对应的短路电流的预测值，以及
在视觉上输出所述短路焦耳热量的变化。
14.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括：
通过使用以下公式来确定在所述二次电池的穿刺点处的作为通过所述二次电池的电阻特性生成的电阻焦耳热量的Qcell：
Qcell＝ishort*|Vshort-VOCV|
其中，Qcell是在钉子穿刺点处通过所述二次电池的电阻特性生成的电阻焦耳热量，Vshort是由电压测量单元周期性地测量的所述二次电池的短路电压，ishort是与周期性地测量的所述二次电池的短路电压相对应的短路电流的预测值，以及VOCV是取决于所述二次电池的充电状态的开路电压的预测值；以及
在视觉上输出所述电阻焦耳热量的变化。
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