CN109270460B - 锂离子电池热失控的能量计算方法 - Google Patents

锂离子电池热失控的能量计算方法 Download PDF

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本发明锂离子电池热失控的能量计算方法涉及的是一种能量计算方法，尤其是一种锂离子电池反应失控过程中产生的化学反应热量的计算方法。通过预测锂离子电池热失控连锁反应的温度，从而计算锂离子电池热失控的热量，在锂离子事故发生之前，对周围的环境进行改善，以减少由于锂离子电池事故造成的损失。若锂离子电池发生了热失控，可根据该方法，反向推理，调查造成事故的原因。

Description

锂离子电池热失控的能量计算方法
技术领域
本发明锂离子电池热失控的能量计算方法涉及的是一种能量计算方法，尤其是一种锂离子电池反应失控过程中产生的化学反应热量的计算方法。
背景技术
现阶段关于锂离子电池热失控后的能量计算方法较少，而近年来，锂离子电池的火灾爆炸事故时有发生。经研究发现，通过锂离子电池组的温度变化和分布特征，可以研究锂离子电池组热失控过程的能量传递规律。通过分析该规律，在锂离子事故发生后，对周围的环境进行改善，以减少由于锂离子电池事故造成的损失。
发明内容
本发明的目的是针对上述不足之处，提供一种锂离子电池热失控的能量计算方法，通过数据处理，根据系统热平衡原理，推导建立锂离子电池平均比热的计算方法。
本发明是采取以下技术方案实现的：
锂离子电池热失控的能量计算方法，包括如下步骤：
1）假设系统中存在n个电池，发生热失控的是第r号电池，其他电池序号从1至n；
2）通过实验测试获取发生热失控的第r号电池的化学反应热
Figure 245434DEST_PATH_IMAGE002
，以J表示单位，即焦耳；
通过实验测试获取系统传递给i号电池的热量
Figure 100258DEST_PATH_IMAGE004
，以J表示单位，即焦耳；
通过实验测试获取发生热失控的电池引起的火焰热辐射量
Figure 879995DEST_PATH_IMAGE006
，以J表示单位，即焦耳；
根据能量守恒定律，得到系统热平衡方程为，
Figure 275204DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
表示系统热损失，所述系统热损失指的是电池传递给外部空间的热量；
通过上述方程求出系统的热损失
Figure 27259DEST_PATH_IMAGE010
；
3）假设第r号电池热失控后，系统传递给i号电池的热量
Figure 849722DEST_PATH_IMAGE004
与距离
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
成如下函数关系，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
，
由此方程能获取
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；从而推导建立锂离子电池组热传递和能量传递计算模型，与实验测试结果进行对比，验证模型的有效性；
所述
Figure 995051DEST_PATH_IMAGE017
是指r号电池和i号电池之间的距离；
4）利用步骤3）的模型计算锂离子电池组的温度分布，通过热失控的临界判据预测热失控传播，与实验测试现象进行对比，验证热失控连锁反应的预测方法的有效性；
所述n为大于1的自然数，所述1≤i≤n。
步骤2）中，系统传递给i号电池的热量
Figure 193951DEST_PATH_IMAGE004
，由公式
Figure 800513DEST_PATH_IMAGE019
求出；其中，
Figure 793877DEST_PATH_IMAGE021
表示锂离子电池平均比热，单位是J/kg•K；m是锂离子电池质量，单位是kg；
Figure DEST_PATH_IMAGE023
是i号电池温度增高值，温度的单位是K（开尔文）。
本发明方法科学实用，通过预测锂离子电池热失控连锁反应的温度，从而计算锂离子电池热失控的热量，在锂离子事故发生之前，对周围的环境进行改善，以减少由于锂离子电池事故造成的损失。若锂离子电池发生了热失控，可根据该方法，反向推理，调查造成事故的原因。
附图说明
以下将结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明涉及的
Figure 485889DEST_PATH_IMAGE016
计算方法流程图；
图2是本发明涉及的热失控连锁反应的预测方法流程图；
图3是本发明使用状态的实施例示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细阐述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参照附图1，锂离子电池热失控的能量计算方法，包括如下步骤：
1）假设系统中存在n个电池，发生热失控的是r号电池，其他电池序号从1至n；
2）通过实验测试获取发生热失控的r号电池的化学反应热
Figure 222901DEST_PATH_IMAGE002
，以J表示单位，即焦耳；
通过实验测试获取系统传递给i号电池的热量
Figure 683969DEST_PATH_IMAGE004
，以J表示单位，即焦耳；
通过实验测试获取发生热失控的电池引起的火焰热辐射量
Figure 113814DEST_PATH_IMAGE006
，以J表示单位，即焦耳；
根据能量守恒定律，得到系统热平衡方程为，
Figure 355439DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 568246DEST_PATH_IMAGE010
表示系统热损失，所述系统热损失指的是电池传递给外部空间的热量；
通过上述方程求出系统的热损失
Figure 211717DEST_PATH_IMAGE010
；
3）假设r号电池热失控后，系统传递给i号电池的热量
Figure 484566DEST_PATH_IMAGE004
与距离
Figure 213488DEST_PATH_IMAGE012
成如下函数关系，
Figure 292302DEST_PATH_IMAGE027
，
由此方程能获取
Figure 727963DEST_PATH_IMAGE016
；从而推导建立锂离子电池组热传递和能量传递计算模型，与实验测试结果进行对比，验证模型的有效性；
所述
Figure 499610DEST_PATH_IMAGE017
是指r号电池和i号电池之间的距离；
4）利用步骤3）的模型计算锂离子电池组的温度分布，通过热失控的临界判据预测热失控传播，与实验测试现象进行对比，验证热失控连锁反应的预测方法的有效性；
所述n为大于1的自然数，所述1≤i≤n。
图2所示为步骤4）中热失控连锁反应的预测方法流程，包括以下步骤：
1）假设系统中存在n个电池，发生热失控的是r号电池，其他电池序号从1至n；
2）通过实验测试获取发生热失控的r号电池的化学反应热
Figure 450248DEST_PATH_IMAGE002
，以J表示单位，即焦耳；
通过实验测试获取系统传递给i号电池的热量
Figure 270437DEST_PATH_IMAGE004
，以J表示单位，即焦耳；
通过实验测试获取发生热失控的电池引起的火焰热辐射量
Figure 622921DEST_PATH_IMAGE006
，以J表示单位，即焦耳；
根据能量守恒定律，得到系统热平衡方程为，
Figure 500222DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 938157DEST_PATH_IMAGE010
表示系统热损失，所述系统热损失指的是电池传递给外部空间的热量；
通过上述方程求出系统的热损失
Figure 358774DEST_PATH_IMAGE010
；
3）假设r号电池热失控后，系统传递给i号电池的热量
Figure 769027DEST_PATH_IMAGE004
与距离
Figure 882476DEST_PATH_IMAGE012
成如下函数关系，
Figure 807707DEST_PATH_IMAGE027
，
由此方程能获取
Figure 235277DEST_PATH_IMAGE016
；从而推导建立锂离子电池组热传递和能量传递计算模型，与实验测试结果进行对比，验证模型的有效性；
所述
Figure 296774DEST_PATH_IMAGE017
是指r号电池和i号电池之间的距离；
4）将步骤3）得到的
Figure 581125DEST_PATH_IMAGE016
代入余下的各电池的热平衡方程
Figure 665756DEST_PATH_IMAGE025
，得到各电池对应的热量以及电池升高的温度；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为发生热失控的r号电池的化学反应热，以J表示单位，即焦耳；
Figure 631438DEST_PATH_IMAGE004
为系统传递给i号电池的热量，以J表示单位，即焦耳；
Figure 813020DEST_PATH_IMAGE006
为发生热失控的电池引起的火焰热辐射量，以J表示单位，即焦耳；
根据能量守恒定律，得到系统热平衡方程为，
Figure 2693DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 840199DEST_PATH_IMAGE010
表示系统热损失，所述系统热损失指的是电池传递给外部空间的热量；
通过上述方程求出系统的热损失
Figure 406310DEST_PATH_IMAGE010
；
所述
Figure 707978DEST_PATH_IMAGE017
是指r号电池和i号电池之间的距离。
5）根据热失控临界值，来判断各电池是否发生热失控，如果发生，则进入步骤6）；否则预测流程结束。
6）将热失控电池的数量加1，并记录对应电池的编号，然后进入步骤4）。
具体实施例：
参照附图3，图中：1、电流调节器，2、电阻丝，3、OMEGA铠装K型热电偶，4、锂离子电池，5、数据采集器，6、计算机。
其中电流调节器1采用的型号为ASO-20，可精准的调节电流大小；OMEGA铠装K型热电偶3的型号为TJ36-CAXL-116U-2；数据采集器5的型号是2620A Hydra，可测量采集电压，电流，温度，频率和电阻等物理参数，同时选用与配套的hydra采集软件；计算机6的型号是天逸510s。
本实施例包括以下步骤，
1、将五颗18650型锂离子电池4摆成一排，每个锂离子电池4的间距为2cm，采用电阻丝2对第一个锂离子电池4加热，促使第一个锂离子电池4热失控（通过电流调节器1调节给电阻丝2所充电流值，电阻丝2产生热量，传递给电池，使得电池加热失控）；
2、根据附图3，将每一个18650型锂离子电池的前后安装上热电偶3，便可以通过数据采集器5测得数据，第一个锂离子电池热失控后，传递给后面的第二个、第三个、第四个、第五个锂离子电池的温度；
3、通过得到的温度数据，通过计算公式，得到每一个点的热量，然后计算机6根据origin8拟合成一条热量曲线；
4、得到的热量曲线与上述的计算方法得到的热量数值有10%的误差，在误差允许范围之内，可以接受，说明该方法可以计算锂离子电池热失控的热量计算。

Claims (2)

1.一种锂离子电池热失控的能量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）假设系统中存在n个电池，发生热失控的是第r号电池，其他电池序号从1至n；
2）通过实验测试获取发生热失控的第r号电池的化学反应热
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，以J表示单位，即焦耳；
通过实验测试获取系统传递给i号电池的热量
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，以J表示单位，即焦耳；
通过实验测试获取发生热失控的电池引起的火焰热辐射量
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，以J表示单位，即焦耳；
根据能量守恒定律，得到系统热平衡方程为，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示系统热损失，所述系统热损失指的是电池传递给外部空间的热量；
通过上述方程求出系统的热损失
Figure 156841DEST_PATH_IMAGE005
；
3）假设第r号电池热失控后，系统传递给i号电池的热量
Figure DEST_PATH_IMAGE006
与距离
Figure DEST_PATH_IMAGE007
成如下函数关系，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，
由此方程能获取
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；从而推导建立锂离子电池组热传递和能量传递计算模型，与实验测试结果进行对比，验证模型的有效性；
所述
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是指r号电池和i号电池之间的距离；
4）利用步骤3）的模型计算锂离子电池组的温度分布，通过热失控的临界判据预测热失控传播，与实验测试现象进行对比，验证热失控连锁反应的预测方法的有效性；
所述n为大于1的自然数，其中1≤i≤n；
在步骤2）中，系统传递给i号电池的热量
Figure 691291DEST_PATH_IMAGE006
，由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE011
求出；其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示锂离子电池平均比热，单位是J/kg•K；m是锂离子电池质量，单位是kg；
Figure DEST_PATH_IMAGE013
是i号电池温度增高值，温度的单位是K，即开尔文。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池热失控的能量计算方法，其特征在于，步骤4）中热失控连锁反应的预测方法流程，包括以下步骤：
4-1）假设系统中存在n个电池，发生热失控的是r号电池，其他电池序号从1至n；
4-2）通过实验测试获取发生热失控的r号电池的化学反应热
Figure 471029DEST_PATH_IMAGE001
，以J表示单位，即焦耳；
通过实验测试获取系统传递给i号电池的热量
Figure 53189DEST_PATH_IMAGE002
，以J表示单位，即焦耳；
通过实验测试获取发生热失控的电池引起的火焰热辐射量
Figure 867561DEST_PATH_IMAGE003
，以J表示单位，即焦耳；
根据能量守恒定律，得到系统热平衡方程为，
Figure 690023DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 957057DEST_PATH_IMAGE005
表示系统热损失，所述系统热损失指的是电池传递给外部空间的热量；
通过上述方程求出系统的热损失
Figure 93640DEST_PATH_IMAGE005
；
4-3）假设r号电池热失控后，系统传递给i号电池的热量
Figure 762519DEST_PATH_IMAGE002
与距离
Figure 755882DEST_PATH_IMAGE007
成如下函数关系，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，
由此方程能获取
Figure 198627DEST_PATH_IMAGE009
；从而推导建立锂离子电池组热传递和能量传递计算模型，与实验测试结果进行对比，验证模型的有效性；
所述
Figure 935639DEST_PATH_IMAGE010
是指r号电池和i号电池之间的距离；
4-4）将步骤4-3）得到的
Figure 459024DEST_PATH_IMAGE009
代入余下的各电池的热平衡方程
Figure 888869DEST_PATH_IMAGE004
，得到各电池对应的热量以及电池升高的温度；
Figure 130494DEST_PATH_IMAGE001
为发生热失控的r号电池的化学反应热，以J表示单位，即焦耳；
Figure 343301DEST_PATH_IMAGE002
为系统传递给i号电池的热量，以J表示单位，即焦耳；
Figure 986772DEST_PATH_IMAGE003
为发生热失控的电池引起的火焰热辐射量，以J表示单位，即焦耳；
根据能量守恒定律，得到系统热平衡方程为，
Figure 321938DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 50860DEST_PATH_IMAGE005
表示系统热损失，所述系统热损失指的是电池传递给外部空间的热量；
通过上述方程求出系统的热损失
Figure 316625DEST_PATH_IMAGE005
；
所述
Figure 814602DEST_PATH_IMAGE010
是指r号电池和i号电池之间的距离；
4-5）根据热失控临界值，来判断各电池是否发生热失控，如果发生，则进入步骤4-6）；否则预测流程结束；
4-6）将热失控电池的数量加1，并记录对应电池的编号，然后进入步骤4-4）。
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