CN111929597A - 一种电池热失控过程中电池电阻测试方法及装置 - Google Patents

一种电池热失控过程中电池电阻测试方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池热失控过程中电池电阻测试方法及装置。为了获得准确的热失控过程中内短路电阻数值，开发了一种电池热失控过程中电池电阻测试方法。通过在被测电池端引入另一个电池的技术方案，将被测电池热失控内短路的电流放大并转移到被测电池外部，进而实现获取准确的电阻阻值的实时数据。本发明提供的电阻测试的测试方法和数据处理方法，提高了电池测量的精确度，为电池系统开发设计和仿真计算研究提供了更为便捷的方式。

Description

一种电池热失控过程中电池电阻测试方法及装置
技术领域
本发明涉及一种电池热失控过程中电池电阻测试方法。属于电池系统开发及电池系统测试领域。
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。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。
在对电池热失控及热扩散的研究中，危害发生的剧烈程度和降低危害的措施就是研究的重点，而这就恰恰与电池热失控及热扩散时的释放的总能量以及能量释放的速率直接相关。到目前为止，热失控过程中电池的内阻测试一直无法实现，往往都是通过直接理想条件下的假设和理论分析而获得，然后将其用于对电池产品的开发验证中。但是热失控过程中电池的内阻这一参数直接影响着能量释放总量以及能量的释放速率，尤其对于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，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。因此在存在并联结构的电池系统的设计以及产品的仿真模拟环节，热失控过程中电池的内阻是一个必须的参量，并且其数值的准确性有很能造成结果的巨大偏差。因此我们开发了一种电池热失控过程中电池电阻测试方法，该方法首次实现了直接通过试验测试获得热失控过程中电池电阻。
发明内容
本发明的主要目的在于为了获得准确的热失控过程中内短路电阻数值，为相关领域的科学研究以及电池系统的开发设计和仿真计算提供更加准确的基础数据，开发了一种电池热失控过程中电池电阻测试方法。
本发明首次提出：通过在被测电池端引入另一个电池(供电电源)的技术方案，从而将被测电池热失控内短路的电流放大并转移到被测电池外部，进而可以进行直接的测量电流，并进一步通过欧姆定律获得被测电池热失控过程中的电阻。通过该方法，可以简洁快速的获得电池热失控过程中的电阻实时数据，一方面为电池热失控热扩散领域的科学研究工作提供准确的数据测试方法和支撑，另一方可以应用于电池系统规定开发设计和仿真计算研究从而获得更加准确的设计参数。
本发明公开了一种电池热失控过程中电池电阻测试装置，其中包括电阻的测试包括加热板1、热电偶传感器2、电池单体3、试验夹具4、霍尔线圈5、电连接线束6；其中，加热板1与电池单体直接接触式连接，用于对电池单体进行加热；热电偶温度传感器2置于电池单体的与加热板相对的另一侧，用于测量电池单体的温度；其中电压采集装置通过导线与电池单体的正负极两侧进行连接，电压采集装置用于测量电池单体的电压；电流测试装置通过导线与电连接线束6连接，用于测量电池单体的电流；通过电流以及电压值可以计算出实时的电阻阻值。
本发明还公开了一种电池热失控过程中电池电阻测试方法，其中具体的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，并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，直至温度长安器测试的温度低于50摄氏度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，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。
其中，加热电池出现热失控情况后，关闭加热电源，持续保持数据采集装置工作，直至温度传感器测试的温度低于50℃。
本发明还公开了一种电池热失控过程中的电阻数据处理方法，是通过热失控电池电阻的公式计算获得电池的实时电阻：
Rrt＝2Vrt/(I++I-)
其中参数Rrt为实时热失控电池电阻；I+为电池实时的正极侧电流；I-为电池实时的负极侧电流；Vrt为实时的热失控电池端电压；在电池热失控过程中，Rrt、I+、I-、Vrt都是同步关联的动态变化数据，最终获取实时的Rrt的动态变化数据以及曲线。
其中，与电池常规使用状态不同，热失控过程中电池的内阻可能发生剧烈变化，只有通过实时测试获得的电压、电流数据，才能够计算得到热失控电池的实时内阻。
本发明首次提出了通过在被测电池端引入另一个电池(供电电源)的技术方案，从而将被测电池热失控内短路的电流放大并转移到被测电池外部，进而可以进行直接的测量，并进一步通过欧姆定律获得被测电池热失控过程中的电阻。通过该方法，可以简洁快速的获得电池热失控过程中的电阻实时数据，一方面为电池热失控热扩散领域的科学研究工作提供准确的数据测试方法和支撑，另一方可以应用于电池系统规定开发设计和仿真计算研究从而获得更加准确的设计参数。
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是失控电池内短路电阻测试示意图；
图2是热失控电池电阻测试数据分析原理图；
图3是实验现场照片；
图4是实验中I+、I-、Vr曲线；
图5是Rrt曲线。
1.加热板、2热电偶或其他温度传感器、3电池单体、4试验夹具、5霍尔线圈或其他类型电流测试装置、6电连接线束。
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。
在本发明的描述中，提出了电池热失控，电池热失控主要是指电池在充电时，电流和温度均升高且互相促进的现象。
实施例1：
以某款动力电池为例，电池热失控过程中电池电阻测试方法的研究。
1、实验测试
1)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。
2)本实例采用外部加热方法进行测试，按照附图1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。
其中电池单体3的两侧装有试验夹具4，电池单体3的正负极两侧通过电连接线束连接，电连接线束上安装有电流采集模块，用于采集电流，另一侧的电池的一侧装有加热板1，另一侧装有温度传感器2，并在电池单体的正负极两侧通过电导线进行电压的采集，加热板的外侧连接有加热电源。
其中热失控触发主要通过加热电源对加热板进行加热。
实际测试照片如附图3所示。
3)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。
4)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℃。
5)实验结束，保存测试数据，处理实验样品。
2、数据分析
分析采集到的I+、I-、Vrt数据，其动态变化曲线如附图4所示。从约850s电池开始发生电压下降，同时检测到电流上升，可以看到I+、I-几乎一致，表明测试一致性很高。在约1320s时，电池电压下降为零，表明电池彻底失效断路。所以对此样品而言，有效的时间区间为850s至1320s之间，但是在反应的初期和末期波动较大。而在910s至1290s之间，电池发生了较为持续稳定的短路。
以上动态数据按照公式Rrt＝2Vrt/(I++I-)进行运算，即可获得Rrt，附图5为Rrt的曲线，在910s至1290s之间，最大电阻为65.1mΩ，最小电阻为1mΩ，平均电阻为24.03mΩ。该数据即可用于后续的科学研究或者工程应用研究。
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 (5)

1.一种电池热失控过程中电池电阻测试装置，其特征在于：电阻的测试装置包括加热板(1)、热电偶传感器(2)、电池单体(3)、试验夹具(4)、霍尔线圈(5)、电连接线束(6)；其中，所述电池单体的两侧分别设置有加热板和热电偶传感器，加热板(1)与电池单体直接接触式连接，用于对电池单体进行加热；热电偶传感器(2)置于电池单体的与加热板相对的另一侧，用于测量电池单体的温度；其中电压采集装置通过导线与电池单体的正极端和负极端进行连接，电压采集装置用于测量电池单体的电压；电流测试装置通过导线与电连接线束(6)连接，用于将被测电池热失控内短路的电流放大并转移到被测电池外部，从而测量电池单体的电流。
2.一种电池热失控过程中电池电阻测试方法，其特征在于：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。
3.根据权利要求2所述的电池热失控过程中电池电阻测试方法，其特征在于，步骤3中，数据采集的采样频率为100Hz。
4.根据权利要求2所述的电池热失控过程中电池电阻测试方法，其特征在于，加热电池出现热失控情况后，关闭加热电源，持续保持数据采集装置工作，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或不再有安全风险。
5.根据权利要求2所述的电池电阻数据处理方法，其特征在于：通过热失控电池电阻的公式计算获得电池的实时电阻：
Rrt＝2Vrt/(I++I-)
其中参数Rrt为实时热失控电池电阻；I+为电池实时的正极侧电流；I-为电池实时的负极侧电流；Vrt为实时的热失控电池端电压；在电池热失控过程中，Rrt、I+、I-、Vrt都是同步关联的动态变化数据，最终获取实时的Rrt的动态变化数据以及曲线。
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