CN111913120B - 一种并联电池组电连接对热扩散影响的测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种并联电池组电连接对热扩散影响的测试方法及装置，提出了一种热扩散影响的并联电池组电连接的测试方法，结合并联电池组在热扩散影响下开展时间的实验研究，利用本发明构建的科学可靠的实验数据处理办法，能够获得精确的热扩散的数据处理，为产品开发的可靠性提供支持。

Description

一种并联电池组电连接对热扩散影响的测试方法及装置
技术领域
本发明涉及一种并联电池组电连接对热扩散影响的测试方法及装置。属于零部件电池测试领域。
背景技术
锂离子动力电池作为当前新能源汽车的核心部件,其安全性问题受到广泛关注,尤其是热扩散这一核心安全问题急需解决。热扩散事故主要分为“热失控诱因”、“热失控发生”、“热失控扩展”三个阶段,为保证动力电池系统的安全性,必须对以上三个阶段进行逐级防控。在动力电池系统产品设计开发过程中，除了选用高品质的锂离子电池单体外，还要在系统设计中充分考虑有效阻断“热失控扩展”。热失控扩展的主要过程为：当一只电池单体发生热失控后，会释放大量的热量甚至起火，造成对其他电池的加热从而引发其他电池发生热失控，造成链式反应。由此说明“热失控扩展”的关键过程是能量传递给其他电池，因此在产品开发设计的过程中，针对能量传递这一过程进行有效的防护设计，即可以实现控制“热失控扩展”的目的。
当前的研究重点集中在热失控释放能量传播，也就是热量的传播控制方面，因此大量的研究和试验数据也都集中在热量传播、热量阻断等领域。但是电池系统是大量的电池单体通过串并联这样的电连接构成的，当其中的电池单体发生热失控时，往往伴随着内短路。当在并联电路中出现单体电池内短路现象时，并联电路中的其他电池将对内短路电池进行放电，而且由于内短路电阻非常小，所以放电电流往往很大，可以认为并联电路中的其他电池发生了外部短路，而外部短路本身将释放大量能量造成温升，甚至直接因为热失控。因此在存在并联结构的电池系统的设计中，并联的电连接形式对“热失控扩展”的影响也是至关重要的。因此，我们开发了一种并联电池组电连接对热扩散影响的测试方法，使用该方法将能够获得在并联成组形式中，电连接在“热失控扩展”的作用，并且可以通过进一步的实验研究获得电连接在“热失控扩展”中作用占比。
发明内容
本发明的主要目的在于为了研究并联电连接电池模块或系统在“热失控扩展”中的作用占比，尤其是提供科学可靠的数量化研究结果，开发了一种并联电池组电连接对热扩散影响的测试方法。
本发明公开了一种并联电池组电连接对热扩散影响的测试装置，包括电热板(1)、电池单体(4)、电连接的动力导线(6)、环氧树脂板(5)、电流传感器(7)、温度传感器(3)、电压传感器(2)，数据分析模块；环氧树脂板(5)置于最外侧，电热板(1)，置于环氧树脂板(5)与单体电池(4)之间，用于给电池加热；温度传感器(3)置于环氧树脂板(5)之上；电流传感器(7)通过动力导线(6)连接在单体电池(4)之间进行电流的采集；电压传感器(2)置于电池正负极之间用于采集电池的正负极电压信号；温度传感器(3)置于单体电池(4)和环氧树脂板(5)之间，用于监测电池内的环境温度；利用外置的数据分析模块对采集到的电压、电流、温度数据进行存储及分析。
本发明公开了一种并联电池组电连接对热扩散影响的测试方法，测量方法包括如下步骤：
步骤1，对动力电池进行放电容量测试，然后将动力电池单体进行充电，直至充满电为止。
步骤2，连接电压传感器，温度传感器，电流传感器，安装触发热失控的加热板和加热电源。
步骤3，开启测试步骤，启动电压、温度、电流传感器的数据采集。
步骤4，当热电池发生热失控时，关闭加热电源。
步骤5，持续观察，保持数据持续采集，直至温度传感器测试的温度低于50℃并且没有其他异常现象发生。
步骤6，保存测试数据，进行数据处理。
其中，并联电池组电连接对热扩散影响的测试装置，连接好测试装置后进行测试启动电压、温度、电流传感器数据采集装置，数据采集装置的采样频率为100Hz。
本发明还公开了一种并联电池组电连接对热扩散影响的数据处理方法，其实现的方式为：步骤1，通过实验1电池单体的加热热失控测试，获取电池单体热失控放热能量，计算电池单体热失控放热能量：Q＝Cpm(Tmax1-T0)；
步骤2，实验2非接触并联电池组的加热热失控测试，通过对动力电池进行放电容量测试的测试数据，利用公式
Figure BDA0002586923500000031
计算电连接引起的能量；
步骤3，利用实验3接触非电连接电池组的加热热失控测试的测试数据，获取单体电池发生热失控的时间间隔，时间间隔的倒数作为无电连接状态下的热扩散速率；
步骤4，应用实验4接触且并联电池组的加热热失控测试的测试数据，获得单体电池发生热失控的时间间隔，时间间隔的倒数作为电连接状态下的热扩散速率。步骤5，利用上述的测试数据，最终得到电连接在“热失控扩展”过程中释放/贡献的能量E，可以进一步的获取其在整体释放能量中的比例。
其中，从数据处理方法从热扩散速率的角度，可以得到“热失控扩展”过程的速率提高率。
本发明提供了一种并联电连接电池模块或系统在“热失控扩展”中的作用占比，尤其是提供科学可靠的数量化研究结果，开发了一种并联电池组电连接对热扩散影响的测试方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
首次提出定量测试并联电池组热扩散中电连接对扩散结果的影响的方法。利用该方法，可以定量获得并联电池组热失控释放能量值，进一步与单体电池热失控释放能量进行比较，进一步的获取其在整体释放能量中的比例。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是实验1电池单体的加热热失控测试示意图。
图2是实验2非接触并联电池组的加热热失控测试示意图。
图3是实验3接触非电连接电池组的加热热失控测试示意图。
图4是实验4接触且并联电池组的加热热失控测试示意图。
图5是实验2非接触并联电池组的加热热失控测试现场照片。
图6是实验3接触非电连接电池组的加热热失控测试现场照片。
图7是实验4接触且并联电池组的加热热失控测试现场照片，
图8是实验2中I2-1曲线。
图9实验3中热失控间隔曲线。
图10实验4中热失控间隔曲线。
其中，1.电热板，2电压传感器，3温度传感器/热电偶，4单体电池，5环氧树脂板，6动力导线，7电流传感器，8电连接；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
以某款锂离子电池为例，进行并联电池组电连接对热扩散影响的研究。
实验测试
按照产品规格说明，对动力电池进行放电容量测试，随后将动力电池单体充满电。
按照附图1进行电池单体的加热热失控测试，记录电池单体电压和温度，采样频率为100Hz。
按照附图2、附图3、附图4安装，连接好电压传感器、温度传感器、电流传感器，并安装好触发热失控的加热板和加热电源；附图5、6、7给出了测试照片，测试研究的为2并的模组形式。
安装好装置后开始进行测试，启动电压、温度、电流传感器数据采集装置，设置采样频率为100Hz。
当被加热电池发生热失控时，关闭加热电源，但是应持续观察实验，并保持数据采集装置持续工作，直至再也没有任何现象发生且所有温度传感器测试的温度低于50℃。
实验结束，保存测试数据，处理实验样品。
数据分析
通过样品规格书以及以上试验结果可知：
m：单体电池重量，0.5kg；Cp：电池单体比热容，1.1kJ/(kg℃)；T0：实验初始温度，25℃；Tmax1：实验1中电池最高温度，490℃；Tmax2：实验2中电池最高温度，510℃；T2：实验2中2#电池的温度，60℃；I2-1：实验2中2#→1#的放电电流，变量，通过连续的曲线获得；t0：短路电流开始时间；tend：短路电流开始时间；R+2-1：实验2中2#→1#的正极连接线电阻，0.01Ω；R-2-1：实验2中2#→1#的负极连接线电阻，0.01Ω。
电池单体热失控放热能量
应用实验1的测试数据，通过下式计算电池单体热失控放热能量：
Q＝Cpm(Tmax1-T0)
Q＝255.75kJ
电连接引起的能量
首先将分析I2-1，具体存放的数据详见附图8，从中即可获得电流变化曲线用于下列公式的计算。应用实验2的测试数据，通过下式计算电连接引起的能量：
Figure BDA0002586923500000071
E＝19.25kJ+43.774kJ+43.774kJ+11kJ＝117.798kJ
无电连接状态下的热扩散速率
应用实验3的测试数据，如附图9所示，获得1#电池和2#电池发生热失控的时间间隔30s，时间间隔的倒数作为无电连接状态下的热扩散速率1/30。
电连接状态下的热扩散速率。
应用实验4的测试数据，如附图10所示，获得1#电池和2#电池发生热失控的时间间隔23s，时间间隔的倒数作为电连接状态下的热扩散速率1/23。
总结
基于以上的分析，可以得到电连接在“热失控扩展”过程中释放/贡献的能量E为117.798kJ，还可以进一步获得其在整体释放能量中的比例为31.5％，可以发现所占比较还是很高的，足以对热扩散过程产生较大影响；从热扩散速率的测试数据也能够看到，扩散速率变的更高，扩散时间从30s缩短到23s。
实施例2：
以某款锂离子电池为例，进行并联电池组电连接对热扩散影响的研究。
实验测试
按照产品规格说明，对动力电池进行放电容量测试，随后将动力电池单体充满电。
按照附图1进行电池单体的加热热失控测试，记录电池单体电压和温度，采样频率为100Hz。
按照附图2、附图3、附图4安装，连接好电压传感器、温度传感器、电流传感器，并安装好触发热失控的加热板和加热电源。
安装好装置后开始进行测试，启动电压、温度、电流传感器数据采集装置，设置采样频率为100Hz。
当被加热电池发生热失控时，关闭加热电源，但是应持续观察实验，并保持数据采集装置持续工作，直至再也没有任何现象发生且所有温度传感器测试的温度低于50℃。
实验结束，保存测试数据，处理实验样品。
数据分析
通过样品规格书以及以上试验结果可知：
m：单体电池重量，0.3kg；Cp：电池单体比热容，1.1kJ/(kg℃)；T0：实验初始温度，25℃；Tmax1：实验1中电池最高温度，610℃；Tmax2：实验2中电池最高温度，670℃；T2：实验2中2#电池的温度，40℃；I2-1：实验2中2#→1#的放电电流，变量，通过连续的曲线获得；t0：短路电流开始时间；tend：短路电流开始时间；R+2-1：实验2中2#→1#的正极连接线电阻，0.01Ω；R-2-1：实验2中2#→1#的负极连接线电阻，0.01Ω。
电池单体热失控放热能量
应用实验1的测试数据，通过下式计算电池单体热失控放热能量：
Q＝Cpm(Tmax1-T0)
Q＝193.05kJ
电连接引起的能量
应用实验2的测试数据，通过下式计算电连接引起的能量：
Figure BDA0002586923500000091
E＝4.95kJ+1.253kJ+1.244kJ+19.8kJ＝27.247kJ
无电连接状态下的热扩散速率
应用实验3的测试数据，获得1#电池和2#电池发生热失控的时间间隔24s，时间间隔的倒数作为无电连接状态下的热扩散速率1/24。
电连接状态下的热扩散速率
应用实验4的测试数据，获得1#电池和2#电池发生热失控的时间间隔21s，时间间隔的倒数作为电连接状态下的热扩散速率1/21。
总结
基于以上的分析，可以得到电连接在“热失控扩展”过程中释放/贡献的能量E为27.247kJ，还可以进一步获得其在整体释放能量中的比例为12.37％，可以发现所占比较高，足以对热扩散过程产生较大影响；从热扩散速率的测试数据也能够看到，扩散速率变的更高，扩散时间从24s缩短到21s。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种并联电池组电连接对热扩散影响的数据处理方法，其特征在于：
步骤1，获取电池单体热失控放热能量，计算电池单体热失控放热能量：Q＝Cpm(Tmax1-T0)；
步骤2，计算非接触并联电池组的加热热失控测试，通过对动力电池进行放电容量测试的测试数据，利用公式
Figure FDA0003615475580000011
计算电连接引起的能量；
步骤3，利用接触非电连接电池组的加热热失控测试的测试数据，获取单体电池发生热失控的时间间隔，时间间隔的倒数作为无电连接状态下的热扩散速率；
步骤4，应用接触且并联电池组的加热热失控测试的测试数据，获得单体电池发生热失控的时间间隔，时间间隔的倒数作为电连接状态下的热扩散速率；
步骤5，利用上述的电流、电压、温度测试数据，通过公式计算得到电连接在“热失控扩展”过程中释放/贡献的能量E，进一步的获取在整体释放能量中的比例；
其中，m为单体电池重量；Cp是电池单体比热容；T0为实验初始温度；Tmax1为电池单体的加热热失控测试中电池最高温度；Tmax2为非接触并联电池组的加热热失控测试中电池最高温度；T2、T3、T4、……Tn：依次为非接触并联电池组的加热热失控测试中2#、3#、4#、……n#电池的温度；I2-1、I3-2、……In-(n-1)：依次为非接触并联电池组的加热热失控测试中2#→1#、3#→2#、……n#→n-1#的放电电流；t0为短路电流开始时间；tend为短路电流开始时间；R+2-1、R+3-2、……R+n-(n-1)：依次为非接触并联电池组的加热热失控测试中2#→1#、3#→2#、……n#→n-1#的正极连接线电阻；R-2-1、R-3-2、……R-n-(n-1)依次为非接触并联电池组的加热热失控测试中2#→1#、3#→2#、……n#→n-1#的负极连接线电阻。
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