CN111487538A - 一种锂离子电池或电池组热失控综合检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域，特别是一种锂离子电池或电池组热失控综合检测系统及方法。系统包括防爆试验室、模拟电池箱、热失控引发装置、电池热解气体采集装置、电池箱内温度与压力在线测量与记录系统、电池热失控视频记录装置；热失控引发装置通过导电柱与模拟电池箱相连，电池热解气体采集装置与模拟电池箱相连，电池箱内温度与压力在线测量与记录系统与模拟电池箱相连。本申请的系统能够观察记录不同环境氛围、不同热失控引发条件下锂离子电池组失控效应参数变化，以及对气体产物的收集，能够探索电池组内某块电池发生热失控后对电池组内其他电池的影响等。

Description

一种锂离子电池或电池组热失控综合检测系统及方法

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别是一种锂离子电池或电池组热失控综合检测系统及方法。

背景技术

近几年因锂离子电池或电池组频繁引发的热自燃、爆炸事故使得锂离子电池或电池组的安全性成为社会各界广泛关注的焦点之一。锂离子电池在热冲击、过冲、过放、短路、振动、挤压等滥用状态下，其内部的活性物质及电解液等组分之间发生化学反应，产生大量的热量和气体，引起电池升温，若内部的热生成速率大于热散失速率，则体系内的反应温度就会不断上升，进一步加速化学反应，触发电池热失控，当热量和内压累积到临界极限时，就会引起电池的燃烧或爆炸。充分认识锂离子电池及电池组失控机制是解决其安全隐患的技术基础。

现有的研究主要采用加速量热仪、C80微量量热仪、锥形量热仪等对锂离子电池进行热失控研究。量热仪主要通过将样品置于量热体系中进行反应，测得样品热分解过程的反应热。C80微量量热仪能准确测量锂离子电池的电极材料、电解液等电池组件材料热分解过程的热效应，但因样品池耐压低、装载的试样量很小，无法进行单个电池的试验。加速量热仪与C80微量量热仪相比，功能相近，试样量可大幅提高，但无法开展伴有较强燃爆危险性的锂离子电池组热失控蔓延规律研究。此外，加速量热仪和C80微量量热仪以“量热”为主，无法实时观察电池热失控过程。锥形量热仪擅长模拟火灾场景下材料的燃烧行为，具有烟气组分分析与热通量测量等功能，单次试验量较大，但不能进行存在爆炸危险的锂离子电池组热失控蔓延规律类试验；另外，锥形量热仪测试时，试样暴露在空气中，而实际应用的锂离子电池组处于密封的电池箱内，锥形量热仪不能模拟电池箱内锂离子电池组热失控过程。现有技术不能对锂离子电池或电池组热失控进行以较完整的测试研究。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种锂离子电池或电池组热失控综合检测系统及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种锂离子电池或电池组热失控综合检测系统，所述系统包括防爆试验室、模拟电池箱、热失控引发装置、电池热解气体采集装置、电池箱内温度与压力在线测量与记录系统、电池热失控视频记录装置；

其中，所述热失控引发装置通过导电柱与所述的模拟电池箱相连，所述导电柱与模拟电池箱的密封盖通过密封结构实现密封，所述的电池热解气体采集装置与所述模拟电池箱相连，所述的电池箱内温度与压力在线测量与记录系统与所述的模拟电池箱相连，所述模拟电池箱、电池热解气体采集装置、电池箱内温度与压力在线测量与记录系统中的测量部分、电池热失控视频记录装置放置在防爆试验室内。

进一步的，所述导电柱与模拟电池箱的密封盖之间实现密封连接的密封结构包括两个梯形绝缘块和两个螺母，两个梯形绝缘块的截面呈等腰梯形，两个绝缘梯形块为等腰梯形较短的上底相邻的布置，且上下套装在导电柱的外周，密封盖上设置有形状与绝缘梯形块相匹配的通孔，两个梯形绝缘块等腰梯形较长的下底通过螺母紧固，导电柱上设置有与螺母相匹配的螺纹。

进一步的，所述模拟电池箱由满足材料强度和可燃性要求的材料制备，模拟电池箱包括样品池和密封盖，样品池和密封盖之间设置橡胶垫片，样品池和密封盖由均布在四周的螺栓组实现夹紧密封；所述样品池其中之一的侧面设有圆形防爆玻璃窗，所述密封盖上还设置有温度传感器接口和多个气孔，电池或电池组放置在模拟电池箱内。

进一步的，所述热失控引发装置为过热式，包括调压仪、导电柱和加热带；所述加热带包裹在电池或电池组的外周，加热带与导电柱的下端相连，导电柱的上端与调压仪相连，通过调压仪调整加热带的加热速率，对电池或电池组进行加热。

进一步的或，所述热失控引发装置为过充式，包括充放电循环测试仪和导电柱，所述充放电循环测试仪与整个系统的控制系统相连，所述导电柱为两个，两个导电柱下端分别通过电线与电池的正、负极相连，两个导电柱的上端通过导线与充放电循环测试仪上的测试通道相连，通过充放电循环测试仪对电池进行过充直至电池发生热失控。

进一步的，所述电池热解气体采集装置包括过滤装置、单向阀、气体采集袋、球阀Ⅱ和真空泵；

电池热解气体采集装置通过连接管路和密封盖上的气孔相连，气孔通过连接管路与三通Ⅱ的一端相连，气孔和三通Ⅱ之间依次设置过滤装置和单向阀，三通Ⅱ的另一端连接气体采集袋，三通Ⅱ的第三端通过球阀Ⅱ连接真空泵。

进一步的，采用红外气体分析仪代替气体采集袋，实现气体的在线分析。

进一步的，所述电池箱内温度与压力在线测量与记录系统包括温度传感器、压力传感器、球阀Ⅰ、气泵、采集卡和控制系统；

所述温度传感器与密封盖上的温度传感器接口相连，所述温度传感器为K型热电偶或热电阻，温度传感器为两个，一个固定在靠近电池或电池组的表面，用于测量电池或电池组表面的温度，另一个固定在模拟电池箱中远离电池或电池组表面的区域，用于测量模拟电池箱内的温度；温度传感器通过导线连接相应的采集卡，采集卡连接控制系统；

密封盖上的气孔通过连接管路连接三通Ⅰ的一端，三通Ⅰ的另一端通过球阀Ⅰ连接气泵，三通Ⅰ的第三端连接压力传感器，压力传感器通过导线连接相应的采集卡，采集卡和电脑控制系统相连。

进一步的，所述电池热失控视频记录装置包括摄像仪或视频探测仪、模拟电池箱的防爆玻璃观察窗和LED灯，所述LED灯独立设置，采用纽扣电池供电；所述系统还包括排风净化装置，用于排出防爆试验室内残留的气体。

一种采用上述的系统检测电池或电池组热失控的方法，包括如下步骤：

(1)打开模拟电池箱上的观察窗，将锂离子电池放置其中，并用加热带包裹住，将一个温度传感器固定在锂离子电池的表面，打开模拟电池箱内的LED灯，关上观察窗，温度传感器为K型热电偶，探针长度为30cm，直径为1mm；

(2)实验环境条件为无氧时：关闭单向阀，打开球阀Ⅰ，使用气泵抽出模拟电池箱内、以及各个管路中的空气，关闭球阀Ⅰ，为实验创造无氧环境；

实验环境条件为有氧时：关闭单向阀与球阀；

(3)打开球阀Ⅱ，使用真空泵将单向阀另一侧电池热解气体采集装置管路及气袋中的空气抽出，关闭球阀Ⅱ，将采集装置抽成真空状态，可利用模拟电池箱与气体采集装置之间的压力差采集气体，同时又保证收集到的气体纯度；打开控制系统中温度检测单元、压力检测单元，检测装置是否漏气；

(4)通过调压仪调整加热带的加热速率，对电池进行加热，打开摄像仪记录实验过程，同时开启控制系统中温度压力软件进行数据采集；

(5)待反应结束后，打开单向阀，将生成的气体采集到气体采集袋中。

本发明与现有技术相比，其显著优点如下：

(1)本发明通过热失控引发装置来引发锂离子电池或电池组发生热失控，通过电池箱内温度与压力在线测量与记录系统测量记录热失控过程中电池温度、箱体的温度和压力，通过电池热解气体采集装置或分析装置对热失控气体产物进行收集检测与分析，通过连接管路处的气泵营造模拟电池箱内环境条件，可研究氧气含量对锂离子电池或电池组热失控的影响，综上所述，本申请的系统能够观察记录不同环境氛围、不同热失控引发条件下锂离子电池组失控效应参数变化，以及对气体产物的收集，能够探索电池组内某块电池发生热失控后对电池组内其他电池的影响等；

(2)本发明通过密封盖上的梯形绝缘块，既保证了模拟电池箱的密封性，又保证了导电柱与密封盖之间的绝缘，同时，导电柱既可以与过充装置相连，又可以与加热装置相连，使得测试系统能够实现多种热失控引发方式；

(3)本发明通过电池热失控视频记录装置，可以清晰的拍摄记录电池箱内锂离子电池的热失控整个过程，可以得到电池热失控发生初爆的准确时间，电池热失控发生燃爆的持续时长及火焰的剧烈程度；

(4)本发明通过电池热解气体采集装置中的真空泵，可以实现利用模拟电池箱与电池热解气体采集装置二者的压差来收集电池热失控气体，同时又保证了收集到的气体纯度。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本申请的过热平台结构示意图。

图2是本申请的过充平台结构示意图。

图3是本申请密封盖与导电柱连接结构示意图。

附图标记说明：

1-防爆试验室，2-模拟电池箱，3-温度传感器，4-压力传感器，5-球阀Ⅰ，6-气泵，7-过滤装置，8-单向阀，9-气体采集袋，10-球阀Ⅱ，11-真空泵，12-采集卡，13-控制系统，14-摄像仪，15-排风净化装置，16-调压仪，17-加热带，18-充放电循环测试仪，19-导电柱，20-螺母，21-梯形绝缘块，22-密封盖。

具体实施方式

本申请提供的一种锂离子电池或电池组热失控综合实验系统，可用于锂离子电池或电池组热失控规律探索，和锂离子电池或电池组热失控控制方法有效性验证的综合试验。能够观察记录不同环境氛围、不同热失控引发条件下锂离子电池组失控效应参数变化，以及对气体产物的收集，能够探索电池组内某块电池发生热失控后对电池组内其他电池的影响(即电池组热失控蔓延)等。

本发明采用的技术方案是：一种锂离子电池或电池组热失控综合实验系统，包括模拟电池箱2、热失控引发装置、电池热解气体采集装置、电池箱内温度与压力在线测量与记录系统、电池热失控视频记录装置及其辅助装置、防爆试验室1等。

所述的热失控引发装置通过导电柱19与所述的模拟电池箱2相连，所述的电池热解气体采集或分析装置通过连接管路与所述的模拟电池箱2相连，所述的电池箱内温度与压力在线测量与记录系统与所述的模拟电池箱2相连，所述的模拟电池箱放置于防爆试验室1内。

所述模拟电池箱2由金属、合金或非金属结构材料制成，材料强度和可燃性要求根据具体试验目标来确定，分为样品池与密封盖上下两个部分，两部分之间隔有橡胶垫片，由均匀分布在四周的螺栓组将三者夹紧固定密封。

所述模拟电池箱2下部样品池一侧设有圆形防爆玻璃观察窗，观察窗由结构材料板(如不锈钢板)、密封垫(如橡胶密封圈、紫铜垫圈等)与具有高耐压强度玻璃构成(如钢化玻璃、石英玻璃等)，结构材料板由底座与压盖构成，玻璃位于二者中间，底座直接焊接在模拟电池箱上，压盖通过螺纹与底座连接，并将玻璃夹紧，玻璃与结构材料板之间隔有密封垫可保证观察窗处的密封性，同时由于底座与压盖之间采用螺纹的连接方式使得观察窗可拆卸，用于放置电池和观察记录热失控的整个过程。

所述模拟电池箱2上部密封盖设有温度传感器接口，与温度传感器3相连，用于测试热失控过程中装置内的温度和电池表面的温度。

所述模拟电池箱2上部密封盖设有二个气孔，分别配置连接管路。其中一个气孔通过连接管路与三通Ⅰ相连，三通Ⅰ一端与用于测试热失控过程中装置内压力的传感器相连，另一端连接气泵6的球阀Ⅰ5，用于调节装置内的压力与氧气含量。另一个气孔通过连接管路电池热解气体采集相连，气孔通过连接管路与三通Ⅱ的一端相连，气孔和三通Ⅱ之间依次设置过滤装置7和单向阀8，三通Ⅱ的另一端连接气体采集袋9，三通Ⅱ的第三端通过球阀Ⅱ10连接真空泵11。其中过滤装置7用于滤去烟气中的固态颗粒。

所述电池热解气体采集装置，由三通Ⅱ、球阀Ⅱ10、真空泵11组成，三通Ⅱ一端通过球阀Ⅱ10与真空泵11相连，另一端与采气袋或采气瓶相连。

所述气体分析装置，可选择红外气体分析仪或气相色谱仪。

所述模拟电池箱2上部密封盖设有两个导电柱19，通过导线与热失控引发装置相连。

如图3所示，所述导电柱19与密封盖22之间设有两个梯形绝缘块21，导电柱通过上下螺母20将绝缘块21夹紧在密封盖上，既起到了密封作用，又保证了导电柱与密封盖之间的绝缘，梯形绝缘块21材质为耐高温的绝缘材料(如聚四氟乙烯)。

所述热失控引发装置包括充放电循环测试仪18和电加热装置，可通过设置过充、过热条件来引发电池组热失控。

所述电加热装置为加热带17与调压仪16。

温度、压力传感器通过采集卡12与控制系统13相连，实时监测电池箱内的温度和压力在热失控过程中的变化。

所述电池热失控视频记录装置为摄像仪或视频探测仪，辅助装置包括模拟电池箱的防爆透明窗和LED灯，辅助装置确保视频记录装置能够清晰拍摄电池箱内锂离子电池的热失控过程。

所述防爆试验室其中一侧墙体由防爆玻璃构成。所述模拟电池箱、电池热解气体采集装置、电池箱内温度与压力在线测量与记录系统中的测量部分、电池热失控视频记录装置放置于防爆试验室中，操作人员在防爆玻璃墙另一面以保障操作人员的安全性。

所述防爆试验室内设有安全卫生防护器材包括自动灭火装置(含灭火器)、防爆室排风净化装置、防毒器材等。

实施例1

如图1所示，在该实施例中锂离子电池或电池组热失控综合实验系统，包括防爆试验室1、模拟电池箱2，调压仪16、加热带17、温度传感器3、压力传感器4、采集卡12、控制系统13、摄像仪14以及排风净化装置15。模拟电池箱2密封盖上一侧的连接管路设有三通Ⅰ，三通Ⅰ一端与压力传感器4相连，一端与气泵6相连，三通与气泵6之间设有球阀Ⅰ5，温度传感器3与模拟电池箱2的密封盖上温度接口相连，温度传感器3与压力传感器4分别通过导线与采集卡12相连，采集卡12与控制系统13相连，加热带17与模拟电池箱2的导电柱下端相连，调压仪16与模拟电池箱2的导电柱上端相连，模拟电池箱2通过连接管路与气体采集装置相连，连接管路上设有过滤装置7与单向阀8。气体采集装置中的三通Ⅱ一端与气体采集袋9，另一端通过球阀Ⅱ10与真空泵11相连。

锂离子电池组热失控规律实验步骤如下：步骤(1)：打开模拟电池箱2上的观察窗，将锂离子电池放置其中，并用加热带17包裹住，将温度传感器3固定在锂离子电池的表面，打开模拟电池箱2内的LED灯，关上观察窗，注意电池正负极不可对向观察窗。温度传感器为K型热电偶，探针长度为30cm，直径为1mm。该传感器前部可弯曲，能够贴紧电池表面测量其温度。步骤(2)：实验环境条件为无氧式：关闭单向阀8，打开球阀5使用气泵6抽出模拟电池箱2内、以及各个管路中的空气，关闭球阀5，为实验创造无氧环境；实验条件为有氧时：关闭单向阀8与球阀5；步骤(3)打开球阀10，使用真空泵11将单向阀8另一侧电池热解气体采集装置管路及气袋中的空气抽出，关闭球阀10，将采集装置抽成真空状态，可利用模拟电池箱2与气体采集装置之间的压力差采集气体，同时又保证收集到的气体纯度；打开控制系统13中温度检测单元、压力检测单元，检测装置是否漏气。步骤(4)：可通过调压仪16调整加热带17的加热速率，对电池进行加热，打开摄像仪14记录实验过程，同时开启控制系统13中温度压力软件进行数据采集。步骤(5)：待反应结束后，打开单向阀8，将生成的气体采集到气体采集袋9中。实验结束后，操作人员可在模拟电池箱2温度降至室温后，穿戴防毒面具等进入防爆试验室1操作将模拟电池箱2的玻璃窗与球阀Ⅰ5打开，将装置内残留的气体通过净化排气装置15排出防爆试验室1。

实施例2

在进一步的实施例中，将气体采集袋9更换为红外气体分析仪，可对锂离子电池热失控过程中的气体产物在线分析，得到热失控每一阶段对应的具体气体产物组分。本实施例的其他结构与实施例1相同。

实施例3

在进一步的实施例中，为了进行锂离子电池组热失控传播规律实验，将热失控引发装置更换为过充装置。如图2所示，模拟电池箱2的导电柱上端通过导线与充放电循环测试仪18上的测试通道相连，模拟电池箱2的导电柱下端通过导线与电池组中某一位置的电池的正负极相连，通过充放电循环测试仪18对其进行过充直至电池发生热失控，观察电池组内其他位置电池是否发生热失控传播现象。本实施例的其他结构与实施例1相同。

Claims (10)

1.一种锂离子电池或电池组热失控综合检测系统，其特征在于，所述系统包括防爆试验室(1)、模拟电池箱(2)、热失控引发装置、电池热解气体采集装置、电池箱内温度与压力在线测量与记录系统、电池热失控视频记录装置；

其中，所述热失控引发装置通过导电柱(19)与所述的模拟电池箱(2)相连，所述导电柱(19)与模拟电池箱(2)的密封盖通过密封结构实现密封，所述的电池热解气体采集装置与所述模拟电池箱(2)相连，所述的电池箱内温度与压力在线测量与记录系统与所述的模拟电池箱(2)相连，所述模拟电池箱(2)、电池热解气体采集装置、电池箱内温度与压力在线测量与记录系统中的测量部分、电池热失控视频记录装置放置在防爆试验室(1)内。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导电柱(19)与模拟电池箱(2)的密封盖之间实现密封连接的密封结构包括两个梯形绝缘块和两个螺母，两个梯形绝缘块的截面呈等腰梯形，两个绝缘梯形块为等腰梯形较短的上底相邻的布置，且上下套装在导电柱(19)的外周，密封盖上设置有形状与绝缘梯形块相匹配的通孔，两个梯形绝缘块等腰梯形较长的下底通过螺母紧固，导电柱(19)上设置有与螺母相匹配的螺纹。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模拟电池箱(2)由满足材料强度和可燃性要求的材料制备，模拟电池箱(2)包括样品池和密封盖，样品池和密封盖之间设置橡胶垫片，样品池和密封盖由均布在四周的螺栓组实现夹紧密封；所述样品池其中之一的侧面设有圆形防爆玻璃窗，所述密封盖上还设置有温度传感器接口和多个气孔，电池或电池组放置在模拟电池箱(2)内。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热失控引发装置为过热式，包括调压仪(16)、导电柱(19)和加热带(17)；所述加热带(17)包裹在电池或电池组的外周，加热带(17)与导电柱(19)的下端相连，导电柱(19)的上端与调压仪相连，通过调压仪(16)调整加热带(17)的加热速率，对电池或电池组进行加热。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述热失控引发装置为过充式，包括充放电循环测试仪(18)和导电柱(19)，所述充放电循环测试仪(18)与整个系统的控制系统(13)相连，所述导电柱为两个，两个导电柱(19)下端分别通过电线与电池的正、负极相连，两个导电柱(19)的上端通过导线与充放电循环测试仪(18)上的测试通道相连，通过充放电循环测试仪(18)对电池进行过充直至电池发生热失控。

6.根据权利要求4或5所述的系统，其特征在于，电池热解气体采集装置包括过滤装置(7)、单向阀(8)、气体采集袋(9)、球阀Ⅱ(10)和真空泵(11)；

电池热解气体采集装置通过连接管路和密封盖上的气孔相连，气孔通过连接管路与三通Ⅱ的一端相连，气孔和三通Ⅱ之间依次设置过滤装置(7)和单向阀(8)，三通Ⅱ的另一端连接气体采集袋(9)，三通Ⅱ的第三端通过球阀Ⅱ(10)连接真空泵(11)。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，采用红外气体分析仪代替气体采集袋(9)，实现气体的在线分析。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述电池箱内温度与压力在线测量与记录系统包括温度传感器(3)、压力传感器(4)、球阀Ⅰ(5)、气泵(6)、采集卡和控制系统(13)；

所述温度传感器(3)与密封盖上的温度传感器接口相连，所述温度传感器(3)为K型热电偶或热电阻，温度传感器(3)为两个，一个固定在靠近电池或电池组的表面，用于测量电池或电池组表面的温度，另一个固定在模拟电池箱(2)中远离电池或电池组表面的区域，用于测量模拟电池箱(2)内的温度；温度传感器(3)通过导线连接相应的采集卡，采集卡连接控制系统(13)；

密封盖上的气孔通过连接管路连接三通Ⅰ的一端，三通Ⅰ的另一端通过球阀Ⅰ(5)连接气泵(6)，三通Ⅰ的第三端连接压力传感器(4)，压力传感器(4)通过导线连接相应的采集卡，采集卡和电脑控制系统相连。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述电池热失控视频记录装置包括摄像仪或视频探测仪、模拟电池箱的防爆玻璃观察窗和LED灯，所述LED灯独立设置，采用纽扣电池供电；所述系统还包括排风净化装置(15)，用于排出防爆试验室(1)内残留的气体。

10.一种采用权利要求1-9任一项所述的系统检测电池或电池组热失控的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)打开模拟电池箱(2)上的观察窗，将锂离子电池放置其中，并用加热带(17)包裹住，将一个温度传感器(3)固定在锂离子电池的表面，打开模拟电池箱(2)内的LED灯，关上观察窗，温度传感器为K型热电偶，探针长度为30cm，直径为1mm；

(2)实验环境条件为无氧时：关闭单向阀(8)，打开球阀Ⅰ(5)，使用气泵(6)抽出模拟电池箱(2)内、以及各个管路中的空气，关闭球阀Ⅰ(5)，为实验创造无氧环境；

实验环境条件为有氧时：关闭单向阀(8)与球阀Ⅰ(5)；

(3)打开球阀Ⅱ(10)，使用真空泵(11)将单向阀(8)另一侧电池热解气体采集装置管路及气袋中的空气抽出，关闭球阀Ⅱ(10)，将采集装置抽成真空状态，可利用模拟电池箱(2)与气体采集装置之间的压力差采集气体，同时又保证收集到的气体纯度；打开控制系统(13)中温度检测单元、压力检测单元，检测装置是否漏气；

(4)通过调压仪(16)调整加热带(17)的加热速率，对电池进行加热，打开摄像仪(14)记录实验过程，同时开启控制系统(13)中温度压力软件进行数据采集；

(5)待反应结束后，打开单向阀(8)，将生成的气体采集到气体采集袋(9)中。

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