CN110389300B - 一种锂电池热扩散试验装置与试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂电池热扩散试验领域，特别是一种锂电池加热触发热失控的试验装置及试验方法_；提供一种锂电池热扩散试验装置，包括泄压阀、防爆红外热像仪、加热棒、电池固定装置、防爆箱体、电池电压采集装置、信号采集模块、功率控制模块、工业计算机；利用电池固定装置实现位置的固定，在锂电池正负极采集电压信号，加热棒均匀环绕于锂电池电芯壳体，加热棒与功率控制模块连接，防爆红外热像仪对锂电池的加热过程进行监测，防爆红外热像仪采集的温度信号与电压信号同时输入到工业计算机的数据处理系统，并绘制高温点温度随加热时间的变化曲线及温度‑电压变化曲线，经过数据处理系统综合分析数据，寻找热失控敏感控制点。

Description

一种锂电池热扩散试验装置与试验方法

技术领域

本发明涉及锂电池热扩散试验领域，特别是一种锂电池加热触发热失控的试验装置及试验方法。

背景技术

动力电池系统是由大量的单体和模组组成，只要有一两个电池单体失控即会导致电池失效，然后通过热扩散发生安全问题；随着新能源汽车技术的发展，安全性日益得到重视，动力锂离子电池在过充电、碰撞情况下易引起连锁放热反应造成热失控，造成冒烟、失火甚至爆炸等。

单体电芯由于其自身有一定的内阻，在输出电能的同时会产生一定的热量，使得自身温度变高，当自身温度超出其正常工作温度范围间时会影响电池的性能和寿命；电动汽车上的动力电池系统是由多个动力电池单体电芯构成，动力电池系统在工作过程中产生大量的热聚集在狭小的电池箱体内，热量如果不能够及时地快速散出，高温会影响动力电池寿命甚至出现热失控。

因此，通过锂电池热扩散试验，获得锂电池热失控发生过程中的温度与电压变化情况对电池热管理系统的设计至关重要；目前常用的锂电池单体热扩散试验中多采用热电偶检测其某一或某几个位置的温度变化，但实际中，单体发热点位置并不确定，热电偶的布置位置极易影响检测结果的可靠性，考虑到实际使用环境的性，目前尚没有综合检测判断锂电池单体的整体温度以及其与电压信号之间的关系的综合试验方法及装置。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供提高的效率。

本发明采用以下技术方案：

一种锂电池热扩散试验装置，包括泄压阀、防爆红外热像仪、电池固定装置、加热装置、防爆箱体、电池电压采集装置、信号采集模块、功率控制模块、热电偶温度传感器、工业计算机；所述的泄压阀安装于所述防爆箱体上方；两台所述的防爆红外热像仪分别放置于防爆箱体内，视场方向的轴线均经过锂电池的正极面中心，两台防爆红外热像仪能的视场完全覆盖锂电池的表面；所述防爆箱体内底部正中设有置物板；

所述电池固定装置，用于将锂电池固定于所述防爆箱体内；所述电池固定装置安装于置物板上，用于固定不同大小的锂电池；所述的电池固定装置包括滑动轨道和电池支架；三条所述的滑动轨道沿圆周方向均匀分布安装在置物板上；每条滑动轨道均安装有一个电池支架；所述电池支架可根据锂电池的半径于滑动轨道上移动或固定；使的本发明可以固定不同直径的锂电池；

所述加热装置，用于给锂电池加热；

所述电池电压采集装置采集电池的正负极电压信号；所述电池电压采集装置包括锂电池负极电压弹簧采集结构、锂电池正极电压采集结构；

所述锂电池负极电压弹簧采集结构安装于置物板的正中心位置；所述锂电池正极电压采集结构设有可根据锂电池的结构尺寸调整长度与高度的转轴支架，方便对于不同直径的锂电池进行电压采集；

所述信号采集模块与所述电池电压采集装置相连，采集电池的正负极电压信号；

所述的功率控制模块控制所述加热装置给锂电池加热；

所述热电偶温度传感器安装于防爆箱内，用于监测装置内的环境温度；

所述工业计算机连接协助所述的功率控制模块选择加热功率，所述工业计算机连接读取所述的信号采集模块的电压信号与两台所述的防爆红外热像仪的温度信号，对采集到的数据进行存储及分析。

优选的，两台所述的防爆红外热像仪分别放置于防爆箱体内上方的两个对角线处，使的两台防爆红外热像仪能的视场在锂电池的表面有部分区域的重合；使得人员在实验前通过监测锂电池的表面重合区域的温度，监测两台防爆红外热像仪对该区域的取值是否一致，达到预先校准两台防爆红外热像仪的效果。

优选的，所述加热装置为加热棒，三根所述加热棒分别固定于三个电池支架上，使的三根加热棒可以紧贴不同直径的锂电池进行加热。

优选的，所述工业计算机对采集到的电压数据与温度数据进行实时存储，并实时显示电压变化曲线与红外图像，同时后台实现数据的详细分析，在试验结束后显示最终分析结果。

优选的，所述工业计算机为人机交互界面，所述的人机交互界面中包括系统参数设置区，电压曲线显示区、热分布图像显示区、结果显示区组成。

优选的，所述热电偶温度传感器有两台，分别安放在防爆箱体内的前上方与后下方，使的监测环境温度更为准确。

一种进行锂电池热扩散的试验方法，包括如下步骤：

步骤一、使用电池固定装置固定锂电池的位置，并保证锂电池表面与加热装置接触良好；

步骤二、启动工业计算机，开启试验系统，设置模块，设置系统的加热功率、电压信号采样率、红外热像仪采样率后，退出参数设置模块；

步骤三、工业计算机对两台防爆红外热像仪进行温度标定，两台防爆红外热像仪检测的相同区域，得到相同温度，开始试验；试验系统进入监测工作状态，当环境温度值不在设定区间时，弹出对话框提示；

步骤四、通过电池电压采集装置、两台防爆红外热像仪同步采集锂电池加热过程中正负极间电压信号与电池壳体表面的温度信号，通过信号采集模块传入工业计算机，工业计算机同时分析电压信号与温度信号之间的关系；

4.1、以加热装置开始工作为判断依据，作为电压与温度的数据采集、存储的触发信号，以减少系统中冗余数据；

4.2、两台防爆红外热像仪检测的锂电池壳体的温度信号以视频序列形式存储于数据库中，并以矩阵数据形式存储于文本文件中，以保证完整的温度信息，用于试验结束后离线数据分析，在系统显示界面实时显示电压曲线与电池表面温度热像图；

4.3、加热装置停止加热时，检测系统给与声光报警处理，以提醒试验人员，可根据锂电池的工作环境标志设置加热装置停止加热的条件；

4.4、对每一帧热图像序列提取最高温度点，则从第1帧热图像至第n帧热图像的最高温度点记录为：T₁₁，T₂₂，T₃₃……T_nn，并记录最高温度点所在位置L₁，L₂，L₃……L_n，提取每一帧热图像序列在L₁，L₂，L₃……L_n位置的温度数据，形成矩阵A；

其中，T₁₁代表第一帧热图像最高温度，其所在位置L₁处，在2帧，第3帧至第n帧图像的温度T₁₂T₁₃…T_1n；T₂₂代表第二帧热图像最高温度，其所在位置L₂处，在1帧，第3帧至第n帧图像的温度T₂₁ T₂₃…T_2n；

4.5、分析矩阵A_n中的行向量之间的相似性，确定最具代表性的行向量[T_m2T_m3…T_mn]代表该电芯的热扩散温度变化过程；

4.6、寻找电芯正负极的电压变化最快时的电压值，记录为V₁，寻找V₁时刻对应的热图像矩阵A_v，在A_v中提出最高温度点T_nv；

步骤五、单次电芯热扩散试验结束时，系统主界面绘制温度电压关系的变化曲线，在检测界面显示该曲线。

本发明的有益效果在于，本发明提供了一种锂电池热扩散试验的装置及试验方法，克服了传统热电偶检测位置的不确定性以及热电偶检测受接触面影响等问题，实现了电芯热扩散温度检测的全面性与检测结果的实时性；本发明使用方便，可方便的对不同大小的电芯进行测试，同时有效的保证了检测结果的可靠性。

附图说明

图1是本发明的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚，以下结合附图及实施例，以18650锂电池电芯的热扩散试验为例对本发明进行进一步说明：

如图1所示的一种锂电池热扩散试验装置，包括泄压阀1、防爆红外热像仪2、热电偶温度传感器3、电阻加热棒4、锂电池5、电池支架6、滑动轨道7、防爆箱体8、锂电池负极电压弹簧采集结构9、锂电池正极电压采集结构10、信号采集模块11、功率控制模块12、工业计算机13。

所述泄压阀1安放在防爆箱体8的上方，防止试验过程中防爆箱体内的压力过大而导致的安全问题。

两台所述防爆红外热像仪2分别放置于防爆箱体8内，保证视场方向的轴线均经过锂电池5的正极面中心，且两台防爆红外热像仪能的视场可以完全覆盖锂电池5的表面。

设置防爆红外热像仪2分别放置于防爆箱体8内上方的两个对角线处，使的两台防爆红外热像仪能的视场在锂电池5的表面有部分区域的重合，在实验前通过监测锂电池5的表面重合区域的温度，监测两台防爆红外热像仪对该区域的取值是否一致，达到预先校准两台防爆红外热像仪的效果。

两台所述热电偶温度传感器3分别安放在防爆箱体8内的前上方与后下方，用于监测装置内的环境温度。

所述防爆箱体8内底部正中设有置物板81，用于放置锂电池5。

三条所述滑动轨道7沿圆周方向均匀分布安装在置物板81上；每条滑动轨道7均安装有一个电池支架6；所述电池支架6可根据锂电池5的半径于滑动轨道7上移动或固定，保证不同半径的锂电池5可以稳定放置及相对固定于三个电池支架6的正中间位置。

三根所述的电阻加热棒4分别固定于三个电池支架6上，保证锂电池5壳体表面与电阻加热棒4接触良好。

所述锂电池负极电压弹簧采集结构9安装于置物板81上，位于三个电池支架6的正中间位置(也是置物板81正中心位置)，以保证与锂电池5的负极接触良好。

所述锂电池正极电压采集结构10设有可根据锂电池的结构尺寸调整长度与高度的转轴支架，调整后在转轴处锁紧，使锂电池正极电压采集结构10的前段采集点与锂电池5的正极接触良好。

所述的信号采集模块11分别与锂电池负极电压弹簧采集结构9以及锂电池正极电压采集结构10相连，采集试验电池的正负极电压信号。

所述的功率控制模块12连接控制三个电阻加热棒4对锂电池5进行加热，功率控制模块12可根据锂电池5的热扩散试验标准调节加热功率，本实施例采用的18650电芯，按标准可最佳加热功率为30W≤P≤300W，本实例选择加热功率为100W。

所述工业计算机13协助功率控制模块12选择加热功率100W，并且工业计算机13直接读取信号采集模块11的电压信号与两台红外热像仪2的温度信号，对采集到的电压数据与温度数据进行实时存储，并实时显示电压变化曲线与红外图像，同时后台实现数据的详细分析，在试验结束后显示最终分析结果。

所述工业计算机13作为试验装置的人机交互界面，人机交互界面中包括系统参数设置区，电压曲线显示区、热分布图像显示区、结果显示区等区域组成。

本发明锂电池单体热扩散的试验方法，包括如下步骤：

步骤一、根据所需锂电池5的型号尺寸，在滑动轨道7调节电池支架6的位置并固定，调整电阻加热棒4，使锂电池5的位置稳定，并保证锂电池5表面与加热棒4接触良好。

步骤二、启动工业计算机13，开启试验系统，在人机交互界面打开系统参数设置模块，设置系统的加热功率、电压信号采样率、红外热像仪采样率、红外热像仪窗口像素、设定红外热像仪检测对象(电池壳体材料)的发射率，设置完毕，点击鼠标左键确认按钮，退出参数设置模块。

步骤三、对两台防爆红外热像仪2进行温度标定，两台防爆红外热像仪2检测的相同区域，得到相同温度，鼠标左键点击人机交互界面上开始按钮，试验系统进入监测工作状态，当环境温度值不在设定区间时，弹出对话框提示。

步骤四、通过锂电池负极电压弹簧采集结构9、锂电池正极电压采集结构10、两台防爆红外热像仪2同步采集锂电池5加热过程中正负极间电压信号与电池壳体表面的温度信号，通过信号采集模块11传入工业计算机13，工业计算机13同时分析电压信号与温度信号之间的关系。

4.1、以电阻加热棒4开始工作为判断依据，作为电压与温度的数据采集、存储的触发信号，以减少系统中冗余数据。

4.2、两台防爆红外热像仪2检测的锂电池5壳体的温度信号以视频序列形式存储于数据库中，并以矩阵数据形式存储于文本文件中，以保证完整的温度信息，用于试验结束后离线数据分析，在系统显示界面实时显示电压曲线与电池表面温度热像图。

4.3、电阻加热棒4停止加热停止时，检测系统给与声光报警处理，以提醒试验人员，ΔT_m、p1、p2、p1、T_MAX分别为在试验开始前根据对应电芯热失控条件设定的实验终止参数，其目的，在于设定最接近热失控发生的试验条件下，收集、记录试验数据。

所述的加热棒4停止加热为满足如下三种条件之一或同时满足任意两条件，可根据试验具体情况选择设定：

iv.在锂电池5电芯表面检测区域中，温度上升率大于设定值ΔT_m的区域，占检测面积的p1％时，加热棒停止加热；本实验在锂电池5电芯表面检测区域中，温度上升率大于设定值1℃的区域，占检测面积的50％时，加热棒停止加热。

v.在锂电池5电芯表面检测区域中，表面温度大于设定值T_MAX的区域，占检测面积的p2％时，加热棒停止加热；

本实验在锂电池5电芯表面检测区域中，表面温度大于设定值65℃的区域，占检测面积的50％时，加热棒停止加热。

vi.锂电池5电芯产生电压降，且下降值超过初始电压的V％

时，加热棒停止加热；本实验锂电池5电芯产生电压降，

且下降值超过初始电压的25％时，加热棒停止加热。

上述实验，通过温升率超限区域面积、超温区域面积、压降临界值三个复合试验加热终止条件，进行试验控制，实现了试验条件的综合考虑，不依赖单一点的试验终止条件，有效提高了试验数据的可靠性，可以适用于不同型号的电芯检测，需要指出的是，此实验步骤中，每种电池根据经验都有不同的热失控条件(即使同一种电池，不同批次，产生热失控的区域、温度及电压变化都可能不一样)，实验初期给出的初始值依据的是每种电池在热失控发生时的一般经验值(例如上述实验给予锂电池初期的设定值)，进而，通过实验对最初的设定值进行调整，最后使的给出的设定值最有利于热失控试验数据的采集，此时，该设定值通常为接近但小于试验电芯对应的热失控临界值。

4.4、对每一帧热图像序列提取最高温度点，则从第1帧热图像至第n帧热图像的最高温度点记录为：T₁₁，T₂₂，T₃₃……T_nn，并记录最高温度点所在位置L₁，L₂，L₃……L_n，提取每一帧热图像序列在L₁，L₂，L₃……L_n位置的温度数据，形成矩阵A：

其中，T₁₁代表第一帧热图像最高温度，其所在位置L₁处，在2帧，第3帧至第n帧图像的温度T₁₂T₁₃…T_1n；T₂₂代表第二帧热图像最高温度，其所在位置L₂处，在1帧，第3帧至第n帧图像的温度T₂₁ T₂₃…T_2n。

4.5、分析矩阵A中各行向量是否符合锂电池电芯热扩散时的温度一般变化趋势，以剔除奇异点温度曲线，当剔除奇异点温度曲线后：

①当只有某一个行向量满足锂电池电芯热扩散时的温度一般变化趋势时，则将该行向量确定为最具代表性的行向量[T_m1T_m2…T_mn]代表该电芯的热扩散温度变化过程。

②当出现多个行向量温度符合一般变化时，则对符合的各行向量进行欧式距离相似性计算，以距离最小度量为准则，确定最具代表性的行向量[T_m1T_m2…T_mn]代表该电芯的热扩散温度变化过程。

4.6、寻找电芯正负极的电压变化最快时的电压值，记录为V₁，寻找V₁时刻对应的热图像矩阵A_v，在A_v中提出最高温度点T_nv。理论上一般的最高温度点T_nv的值应与最具代表性的行向量[T_m1T_m2…T_mn]中最高温度点值相同，当二者出现偏差较大时，可根据实际电池热失控情况将选择其一作为温度热失控点，以保证得到最严格热失控温度点。

步骤五、单次电芯热扩散试验结束时，系统主界面绘制温度电压关系的变化曲线，在检测界面显示该曲线。

本发明在温度观测为对电芯表面进行全面监测，解决了传统热电偶检测位置的不确定性以及热电偶检测受接触面影响；另外，采集电芯表面不同位置温度的变化，同时还采集电压与温度变化的对应实时数据；采用综合记录；并从温度与区域面积的关系、电压变化与温度的关系等多因素进行记录分析，实现了电芯热扩散温度检测的全面性与检测结果的实时性，能够充分利用数据分析电芯热失控监测的敏感位置和条件，给后续的电芯管理控制的设定提供了全面的数据。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，仍属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种锂电池热扩散试验装置，其特征在于：包括泄压阀、防爆红外热像仪、电池固定装置、加热装置、防爆箱体、电池电压采集装置、信号采集模块、功率控制模块、热电偶温度传感器、工业计算机；

所述的泄压阀安装于所述防爆箱体上方；

两台所述的防爆红外热像仪分别放置于防爆箱体内，视场方向的轴线均经过锂电池的正极面中心，两台防爆红外热像仪能的视场完全覆盖锂电池的表面；

所述防爆箱体内底部正中设有置物板；

所述电池固定装置，用于将锂电池固定于所述防爆箱体内；所述电池固定装置安装于置物板上，用于固定不同大小的锂电池；

所述的电池固定装置包括滑动轨道和电池支架；

三条所述的滑动轨道沿圆周方向均匀分布安装在置物板上；每条滑动轨道均安装有一个电池支架；所述电池支架可根据锂电池的半径于滑动轨道上移动或固定；

所述加热装置，用于给锂电池加热；

所述电池电压采集装置采集电池的正负极电压信号；所述电池电压采集装置包括锂电池负极电压弹簧采集结构、锂电池正极电压采集结构；所述锂电池负极电压弹簧采集结构安装于置物板的正中心位置；所述锂电池正极电压采集结构设有可根据锂电池的结构尺寸调整长度与高度的转轴支架；

所述信号采集模块与所述电池电压采集装置相连，采集电池的正负极电压信号；

所述的功率控制模块控制所述加热装置给锂电池加热；

所述热电偶温度传感器安装于防爆箱内，用于监测装置内的环境温度；

所述工业计算机连接协助所述的功率控制模块选择加热功率，所述工业计算机连接读取所述的信号采集模块的电压信号与两台所述的防爆红外热像仪的温度信号，对采集到的数据进行存储及分析；

2.根据权利要求1所述的一种锂电池热扩散试验装置，其特征在于：两台所述的防爆红外热像仪分别放置于防爆箱体内上方的两个对角线处，使的两台防爆红外热像仪能的视场在锂电池的表面有部分区域的重合。

3.根据权利要求1所述的一种锂电池热扩散试验装置，其特征在于：

所述加热装置为加热棒，三根所述加热棒分别固定于三个电池支架上。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池热扩散试验装置，其特征在于：所述工业计算机对采集到的电压数据与温度数据进行实时存储，并实时显示电压变化曲线与红外图像，同时后台实现数据的详细分析，在试验结束后显示最终分析结果。

5.根据权利要求4所述的一种锂电池热扩散试验装置，其特征在于：所述工业计算机为人机交互界面，所述的人机交互界面中包括系统参数设置区，电压曲线显示区、热分布图像显示区、结果显示区组成。

6.根据权利要求1所述的一种锂电池热扩散试验装置，其特征在于：所述热电偶温度传感器有两台，分别安放在防爆箱体内的前上方与后下方。

7.一种采用权利要求1-5任一种装置进行锂电池热扩散试验的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、使用电池固定装置固定锂电池的位置，并保证锂电池表面与加热装置接触良好；

步骤二、启动工业计算机，开启试验系统，设置模块，设置系统的加热功率、电压信号采样率、红外热像仪采样率后，退出参数设置模块；

步骤三、工业计算机对两台防爆红外热像仪进行温度标定，两台防爆红外热像仪检测的相同区域，得到相同温度，开始试验；试验系统进入监测工作状态，当环境温度值不在设定区间时，弹出对话框提示；

步骤四、以加热装置开始工作为判断依据，作为电压与温度的数据采集、存储的触发信号，通过电池电压采集装置、两台防爆红外热像仪同步采集锂电池加热过程中正负极间电压信号与电池壳体表面的温度信号，通过信号采集模块传入工业计算机，所述的两台防爆红外热像仪检测的锂电池壳体的温度信号以视频序列形式存储于数据库中，并以矩阵数据形式存储于文本文件中，以保证完整的温度信息，用于试验结束后离线数据分析，在系统显示界面实时显示电压曲线与电池表面温度热像图；工业计算机同时分析电压信号与温度信号之间的关系；

所述的矩阵数据为，对每一帧热图像序列提取最高温度点，则从第1帧热图像至第n帧热图像的最高温度点记录为：T11，T22，T33……Tnn，并记录最高温度点所在位置L1，L2，L3……Ln，提取每一帧热图像序列在L1，L2，L3……Ln位置的温度数据，形成矩阵A；其中，T₁₁代表第一帧热图像最高温度，其所在位置L₁处，在2帧，第3帧至第n帧图像的温度T₁₂T₁₃…T_1n；T₂₂代表第二帧热图像最高温度，其所在位置L₂处，在1帧，第3帧至第n帧图像的温度T₂₁T₂₃…T_2n；

分析矩阵A_n中的行向量之间的相似性，确定最具代表性的行向量[T_m1…T_mn]代表电芯的热扩散温度变化过程；

寻找电芯正负极的电压变化最快时的电压值，记录为V₁，寻找V₁时刻对应的热图像所矩阵A_v，在A_v中提出最高温度点T_nv，其中m、n为整数；

步骤五、单次电芯热扩散试验结束时，系统主界面绘制温度电压关系的变化曲线，在检测界面显示该曲线。

8.根据权利要求7所述的一种锂电池热扩散试验的试验方法，其特征在于，所述的加热装置停止加热时，检测系统给与声光报警处理，以提醒试验人员，所述的停止加热为满足如下任一条件，或同时满足两种条件：

i.在锂电池电芯表面检测区域中，温度上升率大于设定值ΔT_m的区域，占检测面积的p1％时，加热棒停止加热；

ii.在锂电池电芯表面检测区域中，表面温度大于设定值T_MAX的区域，占检测面积的p2％时，加热棒停止加热；

iii.锂电池电芯产生电压降，且下降值超过初始电压的V％时，加热棒停止加热；

所述ΔT_m、p1、p2、p1、T_MAX分别为在试验开始前根据对应电芯热失控条件设定的实验终止参数，其目的，在于设定最接近热失控发生的试验条件下，收集、记录试验数据。