CN108008303B - 通过内部短路挑战确定临界电池状态的安全性测试方法 - Google Patents

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Abstract

提供了通过内部短路挑战确定临界电池状态的安全性测试方法。一种用于通过在电池（1）内创建内部短路回路的多个效应中至少一个效应来测试蓄电池（1）的系统（10），所述电池（1）具有至少一个阴极、至少一个阳极、至少一个传感器（3）和至少一个导电加热元件（2），所述至少一个导电加热元件（2）包括至少一个电阻性热元件（5），其中至少所述至少一个电阻性热元件（5）组装在所述电池（1）内以用于模拟内部短路回路。

Description

通过内部短路挑战确定临界电池状态的安全性测试方法
技术领域
本发明涉及根据独立系统权利要求的用于通过在电池内创建至少一个内部短路回路来测试蓄电池（battery cell）的系统，以及根据独立方法权利要求的用于通过在电池内创建至少一个内部短路回路来测试蓄电池的方法。
背景技术
确保安全性是高能存储系统中的关键议题之一。对锂离子电池执行数项安全性测试来研究不同的故障机制。穿刺（nail penetration）是最关键的测试场景之一并且服务于复现由于电池内部局部故障或金属粒子而造成的内部短路行为。不同的工程标准中定义了针对该安全性测试的测试条件。在标准化穿刺中，刺穿（penetrate）电池的多个层。然而，相比于实际的内部短路，刺针的大小、刺穿深度和短路功率是更严酷的。刺针的几何大小与内部短路回路大小是彼此不相关的，而且进一步地，由于穿刺造成的损伤区并非针对内部短路回路的特性。
发明内容
根据本发明的用于通过在电池内创建至少一个内部短路回路来测试蓄电池的系统包括至少一个阴极和至少一个阳极以及至少一个传感器。此外，该系统包括至少一个导电导线元件，所述至少一个导电导线元件包括至少一个电阻性热元件。特别地，该电阻性热元件可以包括具有加热元件和空间分辨性（spatially resolved）温度传感器的微加热器。由此，电阻性热元件被置于电池内以用于挑战、模拟和监控内部短路回路。一般来说，电池由作为正电极的阴极电极和作为负电极的阳极电极组成，其中阴极释放电子，其中阳极接受电子。优选地，所述电池可以表示锂离子电池，由此，在离子电池充电期间，锂离子正随着同方向的电子流同时从阴极迁移到阳极。在该充电期间，同样的过程发生在相反的方向上，从而锂离子正从阳极迁移到阴极。由此，传感器可以是检测温度的传感器（温度传感器）和/或检测电流的传感器（电流传感器）和/或检测电压的传感器（电压传感器）。由此，该至少一个传感器可以检测热事件或热改变以及电池的电气特性。此外，传感器产生传达所检测到的改变的输出，特别地是通过使用电气或光学信号来传达。由此，传感器可以包括不同的敏感性，在所检测到的事件或改变正被测量时所述不同的敏感性指示传感器的输出改变了多少。由此，传感器可以位于电池内任意位置。优选地，至少一个传感器位于靠近或邻近挑战点，并且另外的传感器分布在电池中。优选地，可以在电池内组装多个传感器以精确地检测电池内任意位置处的至少一个内部短路回路。有利的是，传感器位于导电加热元件/电阻性元件附近。由此，传感器控制热散逸挑战，并且通过传感器另外的实现方式来表征相关电池行为是可能的。此外，对于不同的内部短路回路，对电池状态的确定是可变的。另外，至少一个包括至少一个电阻性热元件的导电元件位于电池内。该至少一个电阻性热元件置于电池内以用于挑战和模拟内部短路回路。通过电池内部的微元件来触发临界状态替换了像例如通过穿刺来外部触发临界状态。此外，热元件可以以可控的参数和尺寸来驱使内部短路回路，其中加热点处的局部温度平均约为200摄氏度到1500摄氏度。此外，在参数和尺寸方面，耗散功率是通过电阻性热元件可控的。此外，电阻性热元件可以位于电池内任意位置。另外，可能使用多个热元件，所述热元件可以位于电池内任意位置。由此，可以确定对应于污染大小的几何尺寸。此外，热元件的几何尺寸可以被调整以匹配实际的污染大小和位置。另外，传感器并且还有电阻性热元件在电池的组装期间被置于电池内。有利的是，它们优选地具有到电池外部的有线连接，由此例如触发来引发至加热元件的电流流动，从而导致温度升高。特别地，通过提供电气馈通来测量传感器的温度改变并且可以估量和/或分析信号。有利的是，用于测试蓄电池的该系统可以控制热散逸挑战，并且可以建立对相关电池行为的表征。此外，有利的是，内部短路回路由像热生成的内部事件并且不是由外部电气或机械刺激来创建。有利的是，该系统可以实现在来自于具有不同内部栈设计的袋装电池（pouchcell）和/或圆柱电池和/或方形电池的所有不同电池类型中。通过限定电阻性热元件的位置，电池内的内部短路回路的位置可以事先设定。在电池中部以及在电池边缘处的位置是可能的。通过选择电阻性热元件的大小，可以直接影响和限定电阻性热元件定位所在的区域的大小、因此内部短路回路的大小和位置。结果，有可能初始地循环和表征健康的电池并随后在期望的时候导致内部短路回路。本系统进一步的优点在于在电池内创建实际的内部短路回路的可能性，特别是按需在锂离子电池中创建。与用于故意创建内部短路回路的其它技术相对的，可以在短路回路之前、之后和期间初始地表征健康电池，并且可以在期望的时候创建内部短路回路。使用该技术，可以测试所开发的检测和致动机制，并且可以确认内部短路回路的效率。另外，可精确地影响温度，从而导致可以确定和控制的特别的内部短路回路。另外，甚至可以通过对电阻性热元件的定位来选择所引发的内部短路回路的精确位置。由此，可以向所有种类的电池形态应用内部短路回路。
此外，本发明的特征和细节得自于从属权利要求、说明书和附图。由此，对应于根据本发明的系统所描述的特征和细节自然也对应适用于根据本发明的方法，反之亦然，从而根据对本发明的单个方面的披露，总是可以相互地涉及。
此外，有可能在本发明的范围内电阻性热元件包括微加热器，特别地是可调节微加热器。优选地，可调节微加热器具有实际粒子的大小，其通常导致内部短路回路。由于可调节微加热器的大小被调节为实际粒子的大小，可以在实际条件下而非针对内部短路回路挑战或穿刺的大面积概念（其直径总是大于2毫米）下引发内部短路回路。然而，实际粒子的一般大小通常小于1毫米。优选地，微加热器包括0.05平方毫米到约3平方毫米的大小。
此外，有可能在本发明的范围内所述电池包括用于电阻性热元件的至少一个连接接触部。可替换和/或附加地，有可能在本发明的范围内所述电池包括用于传感器的至少一个连接接触部。两个连接接触部优选地组装在蓄电池外部。因此，连接接触部服务于在双方向上将信号从电池组外侧传导至电池组内侧或者从电池组内侧传导到电池组外侧。由此，例如可以将刺激传导到电阻性热元件，优选地传导到微加热器，从而导致微加热器的加热，也即温度的增加。此外，有可能传感器检测电池内的热提升和/或热性能并且将信号传导到电池外部，在电池外部所述信号可以被分析或研究。此外，有可能将像例如分析器件或电源等电气组件连接到连接接触部。
有利的是，有可能所述电阻性热元件为约0.0025平方毫米到约10平方毫米，特别地是约0.05平方毫米到约3平方毫米。由此，电阻性热元件由两个支撑元件组成，包括在两个支撑元件一个边缘处的微加热器。优选地，微加热器的大小对应于可以导致内部短路回路的粒子大小。
有利的是，所述导电加热元件/电阻性元件——特别的是所述微加热器——包括以下的至少一种：铜、铝、铁、铬、镍、锰、锂或其组合。铜由此包括高电气连接性、高热连接性以及还包括低硬度和高单晶延展性。此外，铜易于处置并且是单个金属粒子的良好来源。铝进一步是相对柔软、耐用、轻量、易延展且可锻的金属，其是非磁性并且不易点燃。因此，使用铝是容易、成本高效且安全的。铁是温和的金属，其取决于金属离子的纯度可以包括不同程度的硬度和/或柔软度，并且还抗高压和高温。因此，铁是易于处置的且使用铁是成本高效的。镍进一步抗高腐蚀性且在室温下氧化非常缓慢。因此，镍是抗性的并且耐久使用。锰是易于氧化且难以形成的硬金属。因此，锰是包括鲁棒属性的抗性金属。锂是非常轻的金属以及是致密固体化学元素。锂进一步是高反应性且易燃的。优选地，锂具有易于被让出而形成阳离子的单价电子，并且因此锂是良好的热电导体以及高反应性的元素。铬是硬且脆的金属，其接受高度磨光、抗锈蚀并且具有高熔点。此外，就其磁性来说铬是卓越的，它是唯一显示出在室温更改的反磁性的固体元素。此外，留于空气中的铬金属被氧化所钝化，形成薄的保护性表面层。该层非常致密并且防止氧扩散到下层金属中。此外，铬抗酸稳定。有利的是，任意所述金属的组合是可能的。
本发明的另一方面是一种用于通过在电池内创建至少一个内部短路回路来测试蓄电池的方法。此外，所述电池包括至少一个阴极、至少一个阳极和至少一个导电加热元件/电阻性元件，以及至少一个传感器，所述导电加热元件/电阻性元件包括至少一个电阻性热元件，所述至少一个传感器特别地是温度传感器。此外，所述方法包括以下步骤：
a）在蓄电池内组装热元件，
b）在电阻性热元件处输入内部短路功率，
c）确定电池的状态。
热元件在电池内的组装优选地发生在电池本身的组装期间。由此，热元件可以置于电池内任意位置，这取决于内部短路回路被触发的位置。此外，多个热元件在电池内的组装是可能的，由此可以引发不同位置处的多个内部短路回路，优选地是同时引发。此外，内部短路回路到电阻性热元件的输入引发电阻性热元件的激发。由此，创建了优选在约200摄氏度到1500摄氏度范围内的温度。此外，确定电池的状态。该确定优选地通过位于电池内的至少一个传感器发生。由此，当传感器被组装在电阻性热元件——优选是微加热器——附近以便于感测电阻性热元件处并以此感测内部短路回路位置处的温度提升时是有利的。
此外，可设想在步骤a.1）中，至少一个传感器被插入到电池中以有益测量电池内至少一个位置处的至少一个内部温度，所述至少一个传感器特别地是温度传感器。由此，温度测量优选地发生在电阻性热元件——优选是微加热器——附近，因为内部短路回路是由电阻性热元件触发的。由此，传感器可以直接检测兴趣点（即内部短路回路位置）处任何环境改变。
此外，可设想在步骤c.1）中，对电池状态的确定是通过由传感器在电池内至少一个位置处测量内部温度并且测量至少一个外部温度来确定的。为了测量电池内的温度，有利的是测量电池外部的参考温度，从而检测电池内温度与环境（也即电池外部）中温度之间的差异（delta）。由此，电池外部的高温可以影响电池内部的温度。例如，如果电池周边被加热至高温，则电池的内部温度类似地增加，从而内部短路回路变得更有可能。另一方面，非常低的外部温度也可能冷却电池的内里，从而内部短路回路的电流需要更多功率，这意味着电池内更大的温度提升以引发内部短路回路是有益的。
此外，利用根据本发明的方法，有可能在电池组装期间导电热元件被组装在电池内可选择的位置，用于在电池内任意位置执行方法。由此，导电加热元件/电阻性元件可以被组装在电池内任意位置。为了表征电池，有利的是在不同电池内不同位置引发内部短路回路以便于表征某电池类型的行为。
此外，可设想在步骤d）中，识别电池的状态，以便于确定内部短路回路的属性。附加地或可替换地，可设想打开电池以便于确定内部短路回路的属性。为了识别电池的状态，优选地可以经由类似地定位在电池内内部短路回路发生之处——优选在导电加热元件/电阻性元件附近——的传感器来识别内部短路回路的属性。由此，传感器优选地曾将信号发送到电池外部的器件，优选的是分析例如引发内部短路回路的温度或者分析从达到某个温度之后直到触发内部短路回路的时间的分析器件。此外，不仅仅可以使用分析器件，还可以在内部短路回路发生之后打开电池，其中可以检查电池内的结构损伤。
该方法的步骤优选地可以以任何次序执行，然而，优选地是以从a）到b）、a）到c）或b）到c）的字母次序执行。
附图说明
从以下描述得出本发明进一步的优点、特征和细节，在以下描述中参照附图详细描述了本发明的实施例。由此，权利要求书和说明书中描述的特征可以是每一个单个的或可以在对于本发明必要的每一个组合中。示出了：
图1 根据本发明的电池的示意图示
图2 导电加热元件/电阻性元件的示意图示
图3 根据本发明的方法的示意图示。
在不同图中，相同的特征总是对应相同的参考标号，因此一般来说特征仅被描述一次。
具体实施方式
图1示出用于测试蓄电池的系统10，该系统10包括至少一个导电加热元件/电阻性元件2和至少一个传感器3。该至少一个导电热元件2组装在电池内用于监控内部短路回路。由此，导电加热元件/电阻性元件2可以被组装在电池内任何位置，这取决于由于内部短路回路而应当进一步检查的位置。此外，连接接触部4.1被组装在蓄电池1处，提供电池1内导电加热元件/电阻性元件2与电池1外部之间的交互。导线2.1建立导电加热元件/电阻性元件2与连接接触部4.1之间的连接。在连接接触部4.1处可以组装像例如电源的另外器件，以便于为导电加热元件/电阻性元件提供功率。此外，至少一个传感器3被组装在电池内。传感器3可以被组装在电池1内任何位置，优选的是在导电加热元件/电阻性元件2附近。由此，传感器3感测传感器3周围环境中的变化。因此，当传感器3位于导电加热元件/电阻性元件2附近时是有利的，因为利用其传感器3可以无时间延迟地检测内部短路回路。经由连接接触部4.2，传感器3具有到电池外部的连接。由此，在连接接触部4.2处可以组装像例如分析器件的另外器件，所述分析器件检测、分析或监控传感器3周围电池内的条件变化。由此，经由导线3.1建立了传感器3和连接接触部4.2之间的连接，从而将信号从传感器3引导到电池1外部。
图2示出导电热元件2，该导电热元件2包括至少两个导体部2.2以及优选在导体部2.2的一个边缘处的电阻性热元件5。电阻性热元件5由此是导电加热元件/电阻性元件2的部分，在此处温度可以实际升高。此外，电阻性热元件5包括组装在至少两个导体部之间的微加热器6。该微加热器6优选是导电加热元件/电阻性元件2被加热的唯一部分。由此，导体部2.2之间的距离以及微加热器6的大小可以取决于应当被模拟和检查的实际粒子大小而改变。取决于粒子大小，内部短路回路包括不同的特性。由此，在微加热器6的大小可以不同并调整为应当被检查的粒子大小时是有利的。由此，优选地，粒子大小并且因此微加热器6的大小小于3平方毫米。此外，微加热器6可以被加热到高至200摄氏度到1500摄氏度的温度。
图3示出显示根据本发明的方法100的流程图。方法100可以优选地以在电池1内组装101电阻性热元件5开始。该组装101优选地发生在电池1的生产期间和/或发生在电池1的第一次充电期间。在进一步的步骤中，发生内部短路功率在电阻性热元件5处的输入102。这是通过生成内部电流来引发的。由此，电阻性热元件5特别地是微加热器6发展出热，优选是在200摄氏度和1500摄氏度之间的温度。由此，电池1内的内部短路回路被触发，其可以被进一步表征。在进一步的步骤中，可以执行对电池1状态的确定103。该确定可以要么由传感器3执行，要么在进一步的步骤中通过对内部短路回路属性的识别105来执行，所述传感器3的信号可以被电池外部的分析器件检查或监控。取决于粒子大小也即代表应当被检查的所期望粒子大小的微加热器6的大小，可以表征取决于不同粒子大小的特性。由此，可以检查例如像损伤量和损伤质量的属性，像损伤大小或者损伤强度。此外，在另一个步骤中，可以执行对电池1的打开106以便于确定内部短路回路的属性。此外，通过打开，可以不仅仅检查传感器发送的信号，还可以对电池1内部的视觉检视进行检查并以此可以检查电池1的可能损伤。
特别地，图3中描述的方法可以用图1和2中所示的实施例的系统来实现。
前面对实施例的描述描述了示例范围内的本发明。自然，实施例的单个特征也可以与彼此自由地组合而不离开本发明的范围，只要它们可以是有意义的。

Claims (13)

1.一种用于通过在电池（1）内创建内部短路回路的多个效应中至少一个效应来测试蓄电池（1）的系统（10），所述电池（1）具有至少一个阴极、至少一个阳极、至少一个传感器（3）和至少一个导电加热元件（2），所述至少一个导电加热元件（2）包括至少一个电阻性热元件（5），其特征在于，
所述至少一个电阻性热元件（5）组装在所述电池（1）内以用于模拟内部短路回路，
其中所述至少一个电阻性热元件（5）被组装在所述电池（1）内的至少一个所选位置，在所述至少一个所选位置处，通过仅在所述至少一个电阻性热元件（5）处输入内部短路功率来在所述电池（1）内创建至少一个内部短路回路。
2.根据权利要求1所述的系统（10），
其特征在于，
所述至少一个电阻性热元件（5）包括微加热器（6）。
3.根据权利要求2所述的系统（10），
其特征在于，
所述微加热器（6）是可调节的微加热器（6）。
4.根据权利要求1-3之一所述的系统（10），
其特征在于，
所述电池（1）包括用于所述至少一个导电加热元件（2）的至少一个连接接触部（4.1）和/或用于所述至少一个传感器（3）的至少一个连接接触部（4.2）。
5.根据权利要求2所述的系统（10），
其特征在于，
所述微加热器（6）为0.0025平方毫米到10平方毫米。
6.根据权利要求2所述的系统（10），
其特征在于，
所述微加热器（6）为0.05平方毫米到3平方毫米。
7.根据权利要求1-3之一所述的系统（10），
其特征在于，
多个传感器（3）位于所述电池（1）内，
其中所述多个传感器（3）至少是温度传感器或电流传感器或电压传感器。
8.根据权利要求7所述的系统（10），
其特征在于，
所述多个传感器（3）邻近所述至少一个电阻性热元件（5）。
9.一种用于通过在电池（1）内创建至少一个内部短路回路来测试蓄电池（1）的方法（100），所述电池（1）具有至少一个阴极、至少一个阳极、至少一个传感器（3）和至少一个导电加热元件（2），所述至少一个导电加热元件（2）包括至少一个电阻性热元件（5），所述方法（100）包括以下步骤：
a）在所述电池（1）内组装（101）所述至少一个电阻性热元件（5），其中所述至少一个电阻性热元件（5）被组装在所述电池（1）内的至少一个所选位置，在所述至少一个所选位置处在所述电池（1）内创建所述至少一个内部短路回路，
b）仅在所述至少一个电阻性热元件（5）处输入（102）内部短路功率，
c）确定（103）所述电池（1）的状态。
10.根据权利要求9所述的方法（100），
其特征在于，
在步骤a.1）中，至少一个传感器（3）被插入到所述电池中以用于测量（104）所述电池（1）内至少一个位置处的至少一个内部温度。
11.根据权利要求10所述的方法（100），
其特征在于，
所述至少一个传感器（3）是温度传感器（3）。
12.根据权利要求9-11之一所述的方法（100），
其特征在于，
在步骤c.1）中，对所述电池的状态的确定（103）是通过由传感器（3）在所述电池（1）内至少一个位置处测量（104）内部温度并且测量（104）至少一个外部温度来确定的。
13.根据权利要求9-11之一所述的方法（100），
其特征在于，
在步骤d）中，识别（105）所述电池（1）的状态以便于确定内部短路回路的属性，和/或打开（106）所述电池（1）以便于确定内部短路回路的属性。
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