CN110849935B - 一种电池系统的热扩散检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池系统的热扩散检测方法，包括：在待检测电池系统内选取若干单体电池作为待替换单体电池，并将其替换为发热单元；在每一发热单元处设置一放气阀，并通过气管将放气阀与气泵连接；启动发热单元并实时监测预设数据采集点的温度数据；其中，预设温度采集点设置在待检测电池系统内；将预设数据采集点的温度与预设温度上限进行实时比对，继而在超过预设温度上限时，开启放气阀及气泵并采集待检测电池系统的监测数据；其中，气泵开启时将待检测电池系统外部的气体抽入待检测电池系统内。通过实施本发明的实施例能够模拟电池系统内部单体热失控后的产气过程，获取相应的检测数据，为电池系统的热扩散研究提供数据基础。

Description

一种电池系统的热扩散检测方法
技术领域
本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种电池系统的热扩散检测方法。
背景技术
目前，单体电池的热失控与危险性分析、安全性评价研究已经有一定基础。但针对复杂结构的电池系统(电池系统由多个单体电池构成)的热扩散方式与机理尚无不明确，缺乏对整个电池系统内部单体热失控后的产气对电池系统安全性造成的影响的研究。
发明内容
本发明实施例提供一种电池系统的热扩散检测方法，能模拟电池系统内部单体热失控后的产气过程，获取相应的检测数据，为电池系统的热扩散研究提供数据基础。
本发明一实施例提供一种电池系统的热扩散检测方法，包括：在待检测电池系统内选取若干单体电池作为待替换单体电池，并将所有所述待替换单体电池替换为发热单元；
在每一所述发热单元处设置一放气阀，并通过气管将所述放气阀与设置在所述待检测电池系统外部的气泵连接；
启动发热单元并实时监测预设数据采集点的温度；其中，所述预设温度采集点设置在所述待检测电池系统内；
将所述预设数据采集点的温度与预设温度上限进行实时比对，继而在所述预设数据采集点的温度超过所述预设温度上限时，开启所述放气阀及气泵并采集所述待检测电池系统的监测数据；其中，所述气泵开启时将所述待检测电池系统外部的气体抽入所述待检测电池系统内。
进一步的，所述将所有所述待替换单体电池替换为发热单元，具体包括：
根据所述待替换单体电池的形状，选取与所述待替换单体电池形状相同的填充模具；
将所述发热单元置于所述填充模具中，继而将所述待替换单体电池替换为包含有发热单元的填充模具。
进一步的，所述预设数据采集点根据所述电池系统内各单体电池的排列结构进行设置，具体包括：
当所述电池系统内各单体电池呈整齐式排列时，以所述发热单元为坐标原点建立三维坐标系，沿各坐标轴方向分别选取若干单体电池作为待布设单体电池，继而在各所述待布设单体电池的外表面设置数据采集点；
当所述电池系统内各单体电池呈错位式排列时，以所述发热单元为坐标原点建立三维坐标系并在Y轴与X轴之间建立一附加轴；沿Z轴、X轴和附加轴方向，分别选取若干单体电池作为待布设单体电池，继而在各所述待布设单体电池的外表面设置数据采集点。
进一步的，在所述将所有所述待替换单体电池替换为发热单元之前，还包括通过以下方式对所述待检测电池系统进行基准测试：
S1:将所述待检测电池系统在常温下搁置预设时长；
S2:在达到预设时长后，将所述待检测电池系统按预设放电电流条件进行放电，直至所述电池系统的电压达到截止电压，并开始采集所述待检测电池系统的温度数据；
S3:将已放电的待检测电池系统搁置第二预设时长，继而根据预设的充电电流条件对所述待检测电池系统进行充电，直至所述电池系统的电压达到第二截止电压，将已放电的待检测电池系统搁置第三预设时长，并结束采集所述待检测电池系统的温升及温差数据，获得基准温度数据。
S4:重复步骤S2和S3，直至重复次数达到预设值。
通过实施本发明实施例具有如下有益效果：
本发明实施例提供了一种电池系统的热扩散检测方法，所述方法首先在待检测电池系统内部，选取若干个待替换单体电池，然后用发热单元进行替换，发热单是用于模拟热失控的单体电池，紧接着在发热单元处设置放气阀并通过气管与设置在外部的气泵连接；但上述步骤完成后，启动发热单元，发热单元持续发热，与此同时实时对预设数据采集点的温度进监测，并与预设的温度上限进行比对，若超过了预设温度上限，则说明此时电池系统内的温度，已经达到了内部电池单体的热失控时相同的条件，则此时开启放气阀和气泵，气泵将检测电池系统外部的气体抽入待检测电池系统内，由于单体电池在热失控时会产气，因此通过气泵从电池系统外部将气体抽入待检测电池系统内，从而来模块这个产气的过程，在这个过程中实时采集待检测电池系统的监测数据。通过本发明实施例可以模拟电池系统内部电池单体热失控时的产气过程，还原整个热扩散过程，并采集相应的数据，为后续对整个电池系统的热扩散研究提供数据基础。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的一种电池系统的热扩散检测方法的流程示意图。
图2是本发明一实施例提供的一种电池系统的热扩散检测系统的结构示意图。
图3是本发明一实施例提供的放气阀及气泵的布设结构示意图。
图4是本发明一实施例提供的预设数据采集点的布设结构示意图。
图5是本发明一实施例提供的发热单体及填充模具的结构示意图；
图6是本发明一实施例提供的预设数据采集点的布设结构的总体结构示意图。
图7是本发明一实施例提供的预设数据采集点的布设结构的另一总体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，是本发明一实施例提供的一种提供一种电池系统的热扩散检测方法，包括：
S101、在待检测电池系统内选取若干单体电池作为待替换单体电池，并将所有所述待替换单体电池替换为发热单元。
S102、在每一所述发热单元处设置一放气阀，并通过气管将所述放气阀与设置在所述待检测电池系统外部的气泵连接。
S103、启动发热单元并实时监测预设数据采集点的温度；其中，所述预设温度采集点设置在所述待检测电池系统内。
S104、将所述预设数据采集点的温度与预设温度上限进行实时比对，继而在所述预设数据采集点的温度超过所述预设温度上限时，开启所述放气阀及气泵并采集所述待检测电池系统的监测数据；其中，所述气泵开启时将所述待检测电池系统外部的气体抽入所述待检测电池系统内。
对于步骤S101、在一个优选的实施例中根据图2所示的方式进行电池系统的热扩散检测系统的设置，具体包括：待检测的电池系统，数据采集仪，上位机，负压通分系统，红外热像监控，快速降温系统以及地漏，数据采集仪与待检测电池系统以及上位机连接，将待检测电池系统中各传感器采集的数据，上传至上位机进行数据分析，红外热像监控，用于检测待检测电池系统的温度，并在温度超过安全阈值时，由上位机控制负压通风系统和快速降温系统对待检测电池系统进行降温处理；而地漏可以将水排出。按上述方式进行布置完成后，开始对待检测电池系统进行热扩散的检测。
优选的，负压通风系统主要由防爆型抽风装置，由导流罩、防爆型风机、通风管道和尾气处理装置等组成；
快速降温系统主要由液氮或中性低温水为介质，包含喷头、冷却介质、导流管和储液罐等组成。
在步骤S101中，根据实际测试情况的需要，选择电池系统中需要进行替换的单体电池的数量，可以是一个也可以是多个(在后续说明中，以替换一个单体电池的情况进行其他步骤的解释说明)。
在一个优选的实施例中，所述将所有所述待替换单体电池替换为发热单元，具体包括：根据所述待替换单体电池的形状，选取与所述待替换单体电池形状相同的填充模具；将所述发热单元置于所述填充模具中，继而将所述待替换单体电池替换为包含有发热单元的填充模具。
在一个优选的实施例中，如图5所示，由于在实际情况中电池系统中单体电池的类型一般有柱状单体电池和块状单体电池，因此在本发明的实施例中，设置了两种填充模具的类型，一种是块状的填充模具，一种是柱状的填充模具；相应的发热单元的也有两种类型一种是块状发热单元，一种是柱状发热单元；对于块状填充模具又细分为两种类型，一种是设有块状凹槽的(用于嵌入块状发热单元)，一种是设有柱状凹槽的(用于柱状块状发热单元)，同样对于柱状填充模具也细分为两种类型，一种是设有块状凹槽的(用于嵌入块状发热单元)，一种是设有柱状凹槽的(用于柱状块状发热单元)；优选的在实际情况中，对于电池系统内是块状的单体池，一般选用块状发热单元嵌入，设有块状填充凹槽的块状填充模具的方式，来替换待替换单体电池，(在没有块状发热单元的情况下，可采取柱状发热单元嵌入，设有柱状填充凹槽的块状填充模具的方式)；
对于电池系统内是柱状的单体池，一般选用柱状发热单元嵌入设有柱状填充凹槽的柱状填充模具的方式，(在没有柱状发热单元的情况下，可采取块状发热单元嵌入，设有块状填充凹槽的块状填充模具的方式)来替换待替换单体电池。根据选择不同的发热单元与填充模具，可较好地契合电池系统原先设计的单体空间，提高拟合程度，以保证采集的模拟数据(即在该模拟场景下采集的温升，温差等)的准确性。
对于步骤S102、具体布置方式如图3所示：A为发热单元，设置在电池系统内，在A出设置一放气阀门并通过气管和电池系统外部的气泵连接；在一个优选的实施例中，放气阀集成有气压传感器，能采集电池系统内部的气压数据。
对于步骤S103、首先对预设数据采集的布设结构进行说明；在一个优选的实施例中分为两种情况；
当所述电池系统内各单体电池呈整齐式排列时，以所述发热单元为坐标原点建立三维坐标系，沿各坐标轴方向分别选取若干单体电池作为待布设单体电池，继而在各所述待布设单体电池的外表面设置数据采集点；
当所述电池系统内各单体电池呈错位式排列时，以所述发热单元为坐标原点建立三维坐标系并在Y轴与X轴之间建立一附加轴；沿Z轴、X轴和附加轴方向，分别选取若干单体电池作为待布设单体电池，继而在各所述待布设单体电池的外表面设置数据采集点。
具体的如图4(图4是一个电池系统的一横截面图)所示，对于单体电池呈现整齐式排列的待检测电池系统(此处所提及的整齐式排列，指的是各单体电池横向和纵向都处于对齐状态，没有错位的情况发生；如图4中的4a和4b)，首先以发热体的中心为原点，沿电池系统所构成的箱体的外法线方向构建三维坐标系，得到三个坐标轴即X、Y、Z轴(由于图4是沿Z轴方向的横截面，因此在图4中Z轴未画出)，然后分别在X、Y、Z轴选取若干单体电池作为待布设单体电池(优先选取最靠近发热单元的电池单体)优选的待布设单体电池的数量至少为 3个，即每个坐标轴的方向选取一个最靠近发热单元的电池单体(当然也可以每个坐标轴的方向选取两个，或三个，或更多的最靠近发热单元的电池单体)，然后每个待布设单体电池的外表面上设置两个预设数据采集点(图中以采集点表示)；具体可参见附图中4a(块状电池单体的结构时，预设数据采集点的布设， Z轴方向未画出)和4b(柱状电池单体的结构时，预设数据采集点的布设，Z轴方向未画出)。总体的预设数据采集点的布设结构如图6所示。
对于单体电池呈现错位式排列的待检测电池系统(此处所提及的错位式排列，指的是各单体电池横向和纵向都不处于对齐状态，存在错位的情况；如图4中的4c)，此时以发热体的中心为原点，沿电池系统所构成的箱体的外法线方向构建三维坐标系，得到三个坐标轴即X、Y、Z轴(由于图4是沿Z轴方向的横截面，因此在图4中Z轴未画出)，然后在X和Y轴之间构建一个附加轴，需要说明的是附加轴，以发热体以及发热体斜向(即预发热体错位的电池单体)的电池单体为两个点进行构建，即最后构建的附加轴需要经过与发热体错位的电池单体。
然后沿附加轴，X轴和Y轴方向以及Z轴方向选取若干单体电池作为待布设单体电池(优先选取最靠近发热单元的电池单体)优选的待布设单体电池的数量至少为3个，即每个坐标轴的方向选取一个最靠近发热单元的电池单体(当然也可以每个坐标轴的方向选取两个，或三个，或更多的最靠近发热单元的电池单体)，然后每个待布设单体电池的外表面上设置两个预设数据采集点；具体可参见附图中4c(柱状电池单体的结构,且各单体电池错位排布时，预设数据采集点的布设，Z轴方向未画出)。总体的预设数据采集点的布设结构如图7所示。
根据电池系统内各电池单体的排布结构，选择对应的多轴向的采集方法可避免单点检测的偶然性误差，保证数据的准确性。
当上述预设数据采集点布设完毕后，启动发热单元，发热单元持续发热，各数据采集点通过热电偶温度传感器，实时监测预设采集点的温度。
对于步骤S104、首先对预设温度上限进行说明；在一个优选的实施例中，
在用于发热单元替换待检测电池系统内部的电池单体之前，先对待检测电池系统在没有任何电池单体被替换的情况下进行基准测试，包括以下步骤：
S1:将所述待检测电池系统在常温下搁置预设时长；
S2:在达到预设时长后，将所述待检测电池系统按预设放电电流条件进行放电，直至所述电池系统的电压达到截止电压，并开始采集所述待检测电池系统的温度数据。
S3:将已放电的待检测电池系统搁置第二预设时长，继而根据预设的充电电流条件对所述待检测电池系统进行充电，直至所述电池系统的电压达到第二截止电压，将已放电的待检测电池系统搁置第三预设时长，并结束所述待检测电池系统温度数据的采集，获得基准温度数据。
S4:重复步骤S2和S3，直至重复次数达到预设值。
需要说明的是，优选的上述预设时长，第二预设时长以及第三预设时长都为30min；上述预设的充电电流条件和放电电流条件都为1C。重复次数优选的为3 次。优选的同样通过热电偶温度传感器进行数据采集，且在基准测试的过程中，数据采集点的设置方式与步骤S103中预设数据采集点的布设方式保持一致，这样就可以实施监测各个数据采集点的温度，获得各个数据采集点的基准温度数据。从各个数据采集点的基准温度数据提取温度值最高的温度数据，作为每个数据采集点的预设温度上限值(即上述预设温度上限)。那么在步骤S104中就可以将各个预设数据采集点实时温度与每个数据采集点的温度上限值进行比对，一旦任意一预设数据采集点的实时温度超过了温度上限值，此时开启放气阀和气泵进行，开启所述放气阀及气泵将所述待检测电池系统外部的气体抽入所述待检测电池系统内。从而模拟电池系统内单体电池失控时的产气过程，然后对各项监测数据进行采集。在一个优选的实施例中气泵的抽气速率可结合不同阶段化学反应过程进行计算。
除此之外，还测量待检测电池系统的容量数据，用于确定在热扩散试验前的被测电池系统符合额定容量要求。多次重复的目的是为了激活电池系统，使其处于最佳技术状态。
在一个优选的实施例中，上述监测数据包括待检测电池系统的电压，温度和气压数据、气体流速等数据。
为更好的说明本发明上述技术方案以下列举实际例子进行说明：
1、基准测试
(1)参照附图2布置方式连接电池系统充放电线缆、上位机通讯线缆和数据采集系统，确保外围联动红外监测和降温系统就绪。
(2)测试步骤
①将被测对象(待检测电池系统)在常温下搁置，不少于30min；
②设置放电电流条件为1C，对电池系统开始放电至规定截至电压；
③搁置30min；
④设置充电电流条件为1C，对电池系统开始充电至规定截至电压；
⑤搁置30min；
⑥重复步骤②～⑤，共计3次。
(3)记录并计算基准数据
基准数据包括但不限于容量、内部单体温度等。容量数据用于确定在热扩散试验前的被测电池系统符合额定容量要求；内部单体温度用于判定下一轮试验中的温度是否满足热失控的上限温度值判定标准。
2、模拟测试(将发热单元替换电池系统内部的电池单体)
(1)轴向采集与产气模拟点分布
①对电池系统上盖进行拆解。
②分别采用热电偶温度传感器布置于3轴向，总数大于6个。
③将放气阀布置于电池系统中的单体模拟失效点(即为发热单元)，通过气管连接外部气泵。将放气阀集成的气压传感器连接外部数据采集仪进行实时压力数据采集。
(2)不同单体结构与系统布局的采集点分布
根据附图5，针对不同单体结构与系统布局的采集点分布。本实施例中为方形单体测试对象，因此参照横截面的两个侧边外法线方向(Z轴方向为画出)，取相邻单体外表面作为温度采集点进行温度点传感器布局。温度传感器连接外部数据采集仪器进行实时温度数据采集。
(3)单体结构填充模具选择
根据附图5，针对不同单体电池结构的发热单元与填充模具选型。通常，单体失效模拟采用的发热单元小于单体，需要进行填充以满足安装空间。本实施例中采用的是块状发热单元，因此选用附图5中的块状填充模具。
(4)启动发热单元实施单体热失控模拟
当(1)～(3)步骤准备就绪后，恢复电池系统上盖。开启发热单元实施单体热失控模拟。在设置的数据采集点的温度超过预设温度上限时，开启放气阀模拟单体热失控产气过程。全程记录采集点获取的电压、温度和气压等数据。
本发明上述实施例与现有技术相比，本发明在方法设计上考虑了整体试验的环境与安全防护。解决了不同电池体系在系统中分布造成的采集点布置问题；采用单体失效的产气过程替代方法，结合温度控制更有效模拟了电池系统热失控的真实场景；根据选择不同的发热单元与填充模具，可较好地契合电池系统原先设计的单体空间。多轴向的采集方法可避免单点检测的偶然性误差，保证热扩散试验的准确性。且整体布局原理简单，可操作性和灵活性强。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电池系统的热扩散检测方法，其特征在于，包括：
在待检测电池系统内选取若干单体电池作为待替换单体电池，并将所有所述待替换单体电池替换为发热单元；
在每一所述发热单元处设置一放气阀，并通过气管将所述放气阀与设置在所述待检测电池系统外部的气泵连接；
启动发热单元并实时监测预设数据采集点的温度；其中，所述预设温度采集点根据所述待检测电池系统内各单体电池的排列结构进行设置；
将所述预设数据采集点的温度与预设温度上限进行实时比对，继而在所述预设数据采集点的温度超过所述预设温度上限时，开启所述放气阀及气泵并采集所述待检测电池系统的监测数据；其中，所述气泵开启时将所述待检测电池系统外部的气体抽入所述待检测电池系统内；
所述预设数据采集点根据所述电池系统内各单体电池的排列结构进行设置，具体包括：
当所述电池系统内各单体电池呈整齐式排列时，以所述发热单元为坐标原点建立三维坐标系，沿各坐标轴方向分别选取若干单体电池作为待布设单体电池，继而在各所述待布设单体电池的外表面设置数据采集点；
当所述电池系统内各单体电池呈错位式排列时，以所述发热单元为坐标原点建立三维坐标系并在Y轴与X轴之间建立一附加轴；沿Z轴、X轴和附加轴方向，分别选取若干单体电池作为待布设单体电池，继而在各所述待布设单体电池的外表面设置数据采集点。
2.如权利要求1所述的电池系统的热扩散检测方法，其特征在于，所述将所有所述待替换单体电池替换为发热单元，具体包括：
根据所述待替换单体电池的形状，选取与所述待替换单体电池形状相同的填充模具；
将所述发热单元置于所述填充模具中，继而将所述待替换单体电池替换为包含有发热单元的填充模具。
3.如权利要求1所述的电池系统的热扩散检测方法，其特征在于，在所述将所有所述待替换单体电池替换为发热单元之前，还包括通过以下方式对所述待检测电池系统进行基准测试：
S1:将所述待检测电池系统在常温下搁置预设时长；
S2:在达到预设时长后，将所述待检测电池系统按预设放电电流条件进行放电，直至所述电池系统的电压达到截止电压，并开始采集所述待检测电池系统的温度数据；
S3:将已放电的待检测电池系统搁置第二预设时长，继而根据预设的充电电流条件对所述待检测电池系统进行充电，直至所述电池系统的电压达到第二截止电压，将已放电的待检测电池系统搁置第三预设时长，并结束所述待检测电池系统的温度数据的采集，获得基准温度数据；
S4:重复步骤S2和S3，直至重复次数达到预设值。
4.如权利要求1所述的电池系统的热扩散检测方法，其特征在于，所述待检测电池系统的监测数据包括：所述待检测电池系统的电压，温度和气压数据。
5.如权利要求4所述的电池系统的热扩散检测方法，其特征在于，所述待检测电池系统的温度，通过设置在所述预设数据采集点的热电偶温度传感器进行采集；所述待检测电池系统的气压通过集成在所述放气阀的气压传感器进行采集。
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