CN110780211B - 一种基于预埋电阻的电池内部短路模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于预埋电阻的电池内部短路模拟方法，涉及电池技术领域。该方法首先在新的锂离子电池内部预埋电阻，得到预埋电阻的锂离子电池样品；调整该电池样品的状态，得到室温自然对流状态下电池样品不同SOC值对应的电池参数；然后将电池样品内部预埋电阻接入电路，模拟电池样品内部短路过程，获取选定SOC值下电池样品短路过程对应的电压、温度和阻抗谱参数。本发明可以精确控制内短路电阻、内短路的触发时间和持续时间，可控、真实地模拟电池内短路，为提高锂离子电池的安全性提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种基于预埋电阻的电池内部短路模拟方法。
背景技术
锂离子电池因其具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应和自放电率低等优点，已经成为电动汽车的主要动力来源，也广泛应用于消费电子、储能系统等其他领域。然而，锂离子电池存在潜在的安全问题，其安全事故频发，对消费者的人身和财产安全造成一定威胁。锂离子电池事故多由电池单体的内短路引起，电池局部温度快速上升，进而引发热失控，热蔓延至其他电池模组乃至电池包，最终引起大规模起火甚至爆炸。因而，研究电池内短路、开发电池内短路检测和预警方法十分重要。由于实际电池发生内短路的情况通常难以控制、难以重复，因而需要采用其他实验手段，可控可重复地、较为真实地实现锂离子电池内部短路的模拟。
目前已有的电池内短路模拟方法主要有以下几种：通过机械挤压或者穿刺引发电池隔膜破裂造成内短路；在电池正负极之间引入杂质颗粒，循环诱发枝晶生长，引发内短路；在电池内部内置可控材料(如记忆合金)，通过特定条件触发，刺穿隔膜引起内短路；在电池单体外部并联电阻并封装，模拟电池内短路。以上方法均存在一定的不足：机械挤压、穿刺以及电池内部置入可控材料等方法，内短路电阻难以精确控制，内短路持续时间不可控；电池内部引入杂质诱导枝晶生长的方法，由于枝晶生长的随机性，可重复性可能较差；同时也存在内短路电阻和持续时间难以控制的问题；电池外部并联电阻并封装的方法，可控性好，但模拟电池内短路的真实程度较低，电池的铝塑膜对电池的热传导影响较大，导致与真实情况下的内部短路相差较大。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提出一种基于预埋电阻的电池内部短路模拟方法。本发明可以精确控制内短路电阻、内短路的触发时间和持续时间，可控、真实地模拟电池内短路，为提高锂离子电池的安全性提供指导。
本发明提出一种基于预埋电阻的电池内部短路模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在新的锂离子电池内部预埋电阻，得到预埋电阻的锂离子电池样品；
选取一块新的软包型锂离子电池，该电池为满电状态，所述软包型锂离子电池包括：负极片、隔膜、正极片、电解液、极耳和铝塑膜；对电池拆解后，采用隔膜包裹电阻的形式，将预埋电阻放置在负极片和隔膜之间；同时，用导线的一端和预埋电阻相连接，导线另一端放在电池外部，将电池封装后得到预埋电阻的锂离子电池样品；
2)调整步骤1)得到的预埋电阻锂离子电池样品状态；
将预埋电阻的锂离子电池样品放入恒温箱中，调节恒温箱温度为设定的室温，静置2 小时，使得电池样品的温度为设定的室温；将满电状态下的电池样品，按照0.5C的放电倍率，每次放出10％荷电状态SOC，调整样品电池荷电状态，将电池样品从100％SOC调节到0％SOC，得到室温自然对流状态下电池样品不同SOC值对应的电池参数，包括：温度和电压；
3)在步骤2)的不同SOC值中任意选取一个SOC值，将电池样品内部的预埋电阻接入电路，模拟电池样品内部短路过程，获取该SOC值下电池样品短路过程对应的电压、温度和阻抗谱参数；令锂离子电池样品中的预埋电阻通过导线与外部电源形成回路，通过控制外部电源电流大小，根据预埋电阻接入外部电源时点以及预埋电阻与外部电源连接持续时长，定量控制预埋电阻的产热起始时间和产热量，得到预埋电阻产热量与温升的关系表达式，实现模拟电池样品内部短路过程；
Q＝I2Rt＝cmΔT
其中Q表示产热量，表示I电流，R表示电阻，t表示时间，c表示比热容，m表示质量，ΔT表示温升。
本发明的特点及有益效果在于：
利用本发明的方法，可以精确控制内短路电阻、内短路的触发时间和持续时间，可控、真实地模拟电池内短路；通过本发明方法得到的结果可为电池内短路研究、开发电池内短路检测和预警方法提供实验基础，为提高锂离子电池的安全性提供指导。
附图说明
图1为本发明方法的整体流程图。
图2为本发明实施例的预埋电阻后的锂离子电池侧视图。
图3为本发明实施例的预埋电阻的预埋电阻锂离子电池的正视图。
图4为本发明实施例的调整电池荷电状态示意图。
图5为本发明实施例的预埋电阻与外部电源相连构成回路示意图。
图6为本发明实施例的预埋电阻接入外部电源后，电池的电压和温度变化示意图。
图7为本发明实施例的预埋电阻接入外部电源后，电池的阻抗谱随接入电路时间变化示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于预埋电阻的电池内部短路模拟方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出一种基于预埋电阻的电池内部短路模拟方法，整体流程如图1所示，具体包括以下步骤：
1)在新的锂离子电池内部预埋电阻，得到预埋电阻的锂离子电池样品；
选取一块新的软包型锂离子电池，该电池为满电状态，所述软包型锂离子电池包括：负极片、隔膜、正极片、电解液、极耳和铝塑膜，对电池拆解后，采用隔膜包裹电阻的形式，将预埋电阻放置在负极片和隔膜之间。本发明中所述预埋电阻选择片状或者丝状电阻均可，本实施例中，预埋电阻选择直径为20毫米，电阻为30欧姆的圆形加热片。同时，用导线和预埋电阻相连接，导线另一端放在电池外部，将电池封装后得到预埋电阻的锂离子电池样品。
本发明中，电池内短路内部温升效应可由预埋电阻实现，同时，热传导过程与真实电池内短路相似。本实施例中选择与锂离子电池本身材质相同的隔膜包裹电阻，放置在极片的面内中心位置后，对电池进行再封装。预埋电阻后的软包型锂离子电池侧视图如图2所示，其中图中①为负极片，②为正极片，③为预埋电阻，④为隔膜，⑤为铝塑膜，⑥为极耳，⑦为导线，这些组件共同构成预埋电阻软包型锂离子电池。
预埋电阻软包锂离子电池的正视图如图3所示，在预埋电阻的同时，可选择电池面内五个位置，分别是面内中心a、靠近(与极耳间隔1～2厘米)负极极耳b、靠近(与极耳间隔1～2厘米)正极极耳c、远离(与电池下边缘间隔1～2厘米)负极极耳d和远离(与电池下边缘间隔1～2厘米)正极极耳e。同时，在对应a、b、c、d、e五个位置，分别预埋T型热电偶(Omega)，用于测试锂离子电池对应位置的温度。
2)调整步骤1)得到的预埋电阻锂离子电池样品的状态；
将预埋电阻的锂离子电池样品放入恒温箱中，调节恒温箱温度为设定的室温(本实施例为25℃)，静置2h，即电池样品此时的温度状态为设定的室温，并保持此状态进行测试。本实施例按照如图4的方式，将满电状态下的电池样品，按照0.5C的放电倍率，每次放出10％荷电状态SOC，调整样品电池荷电状态，可以将电池样品从100％SOC调节到0％SOC，得到室温(25℃)自然对流状态下电池样品不同SOC值对应的电池参数，包括：温度和电压。将电池放置在室温条件下，不施加任何冷却手段，此时电池与外部环境对流换热条件为自然对流状态。
本实施例中，综合上述实验操作，获得测试过程中电池样品所处的状态，25℃下，90％SOC，自然对流条件下的电池参数。
3)在步骤2)的不同SOC值中任意选取一个SOC值，将电池样品内部的预埋电阻接入电路，模拟电池样品内部短路过程，获取该SOC值下电池样品短路过程对应的电压、温度和阻抗谱参数；
本实施例，选择步骤2)中90％SOC的电池样品，同时将电池样品预埋T型热电偶接入到Maccor4000温度附件通道，将电池样品两个极耳分别与maccor设备电源通道正负极相连接。预埋5个热电偶可以得到电池样品对应5处位置的温度，选择预埋电阻处热电偶温度数据，即面内中心位置处热电偶的温度数据作为预埋电阻的温度。
将预埋电阻与外部电源相连，其连接方式如图5所示。锂离子电池样品中的预埋电阻通过导线与外部恒定直流电源形成回路。通过控制外部电源电流大小，根据预埋电阻接入外部电源时点以及预埋电阻与外部电源连接持续时长，可以实现定量控制预埋电阻的产热起始时间和产热量，进而推导出预埋电阻的温升情况，实现模拟电池样品内部短路过程。其推导公式为如下参数关系，其中Q表示产热量，I表示电流，R表示电阻，t表示时间， c表示比热容，m表示质量，ΔT表示温升：
Q＝I2Rt＝cmΔT
本实施例中，将电池样品中的预埋电阻接入电路后，监控电池温度变化，如图6所示，其温度显示为电池样品面内中心位置a处热电偶温度。图中圆圈处为电池样品预埋电阻与外部电路相连接时点，预埋电阻与外部电源相连接电池(J)温度上升明显，而未接入外部电路的预埋电阻电池样品(WJ)，则温度变化不明显。同时，采集电池电压，通过图6 可以看出，因预埋电阻接入外部电路只对电池温度产生影响，而未对电池的电效应产生影响，所以两种情况的电池样品(预埋电阻接入电路和预埋电阻未接入电路)的电压基本未发生变化。采用电化学工作站测试电阻接入电路前后，电池阻抗谱变化，其结果如图7所示，随着预埋电阻接入电路时间延长，阻抗谱逐渐变化趋势明显。预埋电阻未接入电路的电池样品阻抗谱为Z1，预埋电阻接入电路1分钟的电池样品阻抗谱为Z2和预埋电阻接入电路10分钟的电池样品阻抗谱为Z3，随着温度的升高逐渐下降。
图6和图7所提供的测试数据为电池内短路研究、开发电池内短路检测和预警方法提供重要的依据。可以根据图6和图7的实验结果，以及本发明所提供的预埋电阻模拟电池内短路实验方法给出内短路早期检测的判定准则。同时，该实验方法也可验证内短路检测方法的有效性和可靠性。
综上所述，本发明提出一种基于预埋电阻的电池内部短路模拟方法，包括在电池内部预埋电阻，制作电池样品；调整所述电池样品的状态；将样品电池内部的预埋电阻接入电路，模拟样品电池内部短路过程；测量模拟样品电池内部短路过程中的相关参数。根据本发明的方法，可以精确控制内短路电阻、内短路的触发时间和持续时间，可控、真实地模拟电池内短路；为电池内短路研究、开发电池内短路检测和预警方法提供实验基础。
Claims (1)
1.一种基于预埋电阻的电池内部短路模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在新的锂离子电池内部预埋电阻，得到预埋电阻的锂离子电池样品；
选取一块新的软包型锂离子电池，该电池为满电状态，所述软包型锂离子电池包括：负极片、隔膜、正极片、电解液、极耳和铝塑膜；对电池拆解后，采用隔膜包裹电阻的形式，将预埋电阻放置在负极片和隔膜之间；同时，用导线的一端和预埋电阻相连接，导线另一端放在电池外部，将电池封装后得到预埋电阻的锂离子电池样品；
在预埋电阻的同时，选择电池面内五个位置，包括：面内中心处、靠近负极极耳处、靠近正极极耳处、远离负极极耳处和远离正极极耳处；在上述五处位置，分别预埋T型热电偶；
2)调整步骤1)得到的预埋电阻锂离子电池样品状态；
将预埋电阻的锂离子电池样品放入恒温箱中，调节恒温箱温度为设定的室温，静置2小时，使得电池样品的温度为设定的室温；将满电状态下的电池样品，按照0.5C的放电倍率，每次放出10％荷电状态SOC，调整样品电池荷电状态，将电池样品从100％SOC调节到0％SOC，得到室温自然对流状态下电池样品不同SOC值对应的电池参数，包括：温度和电压；
3)在步骤2)的不同SOC值中任意选取一个SOC值，将电池样品内部的预埋电阻接入电路，模拟电池样品内部短路过程，获取该SOC值下电池样品短路过程对应的电压、温度和阻抗谱参数；其中，在模拟时，将步骤1)预埋的T型热电偶接入到Maccor4000温度附件通道，利用预埋5个热电偶得到电池样品对应5处位置的温度，其中选择面内中心位置处热电偶的温度数据作为预埋电阻的温度数据；
令锂离子电池样品中的预埋电阻通过导线与外部电源形成回路，通过控制外部电源电流大小，根据预埋电阻接入外部电源时点以及预埋电阻与外部电源连接持续时长，定量控制预埋电阻的产热起始时间和产热量，得到预埋电阻产热量与温升的关系表达式，实现模拟电池样品内部短路过程；
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