CN113109713A - 密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统和气体收集装置 - Google Patents

密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统和气体收集装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于电池安全性测试技术领域，具体涉及一种密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置。所述装置包括：密闭防爆腔体、针刺装置、电池充放电模块、抽真空装置、气体收集装置、气体分析装置、惰性气体循环装置、控制系统；本发明搭建一种密闭空间内的针刺触发系统，并连接专门的气体收集装置，为锂离子电池针刺试验的气体成分分析提供准确的数据支撑。本发明各部分装置均能与控制系统连接，可实现单独控制。试验过程中可任意选择试验条件；本发明实现密闭空间，机械滥用对动力电池热失控的影响和气体分析功能；本发明系统控制简单、便捷，易于维修。

Description

密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统和气体收集装置
技术领域
本发明属于电池安全性测试技术领域，具体涉及一种密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置。
背景技术
随着锂离子电池广泛应用于航空、航天、新能源汽车等领域，其使用过程中的安全性隐患和问题日益凸显，尤其在滥用条件下(如高温、短路、过充放、针刺、挤压、振动等)，容易出现冒烟、着火甚至是爆炸等情况。但对于锂离子电池安全测试试验而言，针刺试验时最为复杂，因为整个锂离子电池在针刺过程中的能量会通过内短路在短时间内快速释放(最多会有70％的能量在一分钟内释放)，导致温度急剧上升，继而发生连锁反应，从而引发电池的燃烧和爆炸。
当前关于锂离子电池在密闭空间中因针刺触发热失控和气体收集装置的研究还属空白，研究人员经常在开放空间完成锂离子电池的针刺过程，而针刺过程中的气体收集和气体成分分析，因开放空间内气体浓度稀薄，而无法收集，导致气体成分无法分析。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何在密闭空间内完成锂离子电池的针刺触发热失控行为，并成功收集热失控过程中释放的气体，通过气体分析装置进行成分分析。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，所述装置包括：密闭防爆腔体、针刺装置、电池充放电模块、抽真空装置、气体收集装置、气体分析装置、惰性气体循环装置、控制系统；
所述密闭防爆腔体包括：防爆顶盖A1、防爆观察窗、腔体；所述防爆顶盖、防爆观察窗、腔体通过防爆螺栓形成一个防爆密闭空间；
所述针刺装置包括针刺组件、针刺平台、升降液压柱；所述针刺平台为中空针刺平台，通过升降液压柱进行升降，位于密闭防爆腔体内部一侧，其上用于放置待测动力电池；所述针刺组件包括：针刺头A2、针刺底座及固定装置；所述针刺头设置在针刺底座上，所述针刺底座通过固定装置连接在密闭防爆腔体内部另一侧的防爆顶盖上；
所述电池充放电模块包括置于腔体的腔体壁A3上的两个充放电接线柱C1和C2和两个温度采集通道C3和C4；密闭防爆腔体外部充电柜的接线柱通过两个充放电接线柱与密闭防爆腔体内部的动力电池正负极连接；密闭防爆腔体外部控制系统的温度采集装置的温度传感器通过两个温度采集通道进入密闭防爆腔体内部，并置于待测动力电池上的监测点；
所述抽真空装置包括内外壁气体循环通道D1和D2、腔体外壁控制阀D4、腔体内部气体压力传感器D3、抽真空泵D5；
所述气体收集装置包括防爆腔体与气体收集装置连通通道E1，气体收集釜E2，气体收集釜控制阀门E3；
所述气体分析装置包括气体收集釜与气相色谱质谱联用仪连通通道F1、气体收集釜控制阀门F2、气相色谱质谱联用仪F3；
所述惰性气体循环装置包括惰性气体控制阀门F4、惰性气瓶F5；
所述控制系统包括主机H、通讯线和急速自动泄压阀H1、压力传感器H2；
所述控制系统分别与电池充放电模块、气体分析装置相连。
其中，所述防爆观察窗为耐高温防爆玻璃。
其中，所述针刺平台为一长方体升降平台B1，长方体升降平台B1中间有中空圆柱，长方体升降平台下部受升降液压柱支撑。
其中，所述针刺平台上设有一升降控制传感器B3连接至主机。
其中，所述长方体升降平台B1的尺寸为10cm*8cm*5cm。
其中，所述长方体升降平台B1中间的中空圆柱半径为2cm。
其中，所述装置工作过程中，包括如下步骤：
步骤1：测量被测动力电池的尺寸和重量，计算电池体积；
步骤2：将被测动力电池放置于密闭防爆腔体内部的升降平台上，保证被测动力电池的中心部位处于针刺平台的中心；被测动力电池的正负极与腔体壁A3上的两个充放电接线柱C1和C2连接，将两个温度采集通道C3和C4内的温度传感器置于电池表面中心部位及其他监测点；
步骤3：利用铰链将防爆顶盖A1放置于腔体上，并用防爆螺栓拧紧；
步骤4：打开抽真空控制阀D4和抽真空泵D5，将密闭防爆腔体进行抽真空处理；
步骤5：设定试验参数，根据试验和样品需要，设定充电柜的充电电流和电压，待达到试验需要的样品状态后，设定针刺头A2的针刺速度和针刺行进距离，记录样品表面温度；
步骤6：热失控过程中记录密闭防爆腔体内部的压力变化；待试验反应一定时间，气体温度降至一定温度以下时，打开气体收集釜控制阀门E3、气体收集釜控制阀门F2、惰性气体控制阀门F4，将气体流入气相色谱质谱联用仪F3中分析。
其中，所述步骤5中，根据试验需要，利用充电柜进行不同SOC电量的控制，可单独选择针刺或充放电的相关操作，即单独或同时对样品进行充放电或针刺行为操作。
其中，所述被测动力电池为锂离子电池。
其中，所述一定温度为50℃。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明搭建一种密闭空间内的针刺触发系统，并连接专门的气体收集装置，为锂离子电池针刺试验的气体成分分析提供准确的数据支撑。
本发明的有益效果是：
(1)本发明涉及机械针刺装置、充放电装置、气体收集和分析装置以及控制系统，各部分装置均能与控制系统连接，可实现单独控制。试验过程中可任意选择试验条件；
(2)本发明实现密闭空间，机械滥用对动力电池热失控的影响和气体分析功能；
(3)本发明系统控制简单、便捷，易于维修。
附图说明
图1为密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术的问题，本发明提供一种密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，如图1所示，所述装置包括：密闭防爆腔体、针刺装置、电池充放电模块、抽真空装置、气体收集装置、气体分析装置、惰性气体循环装置、控制系统；
所述密闭防爆腔体包括：防爆顶盖A1、防爆观察窗、腔体；所述防爆顶盖、防爆观察窗、腔体通过防爆螺栓形成一个防爆密闭空间；
所述针刺装置包括针刺组件、针刺平台、升降液压柱；所述针刺平台为中空针刺平台，通过升降液压柱进行升降，位于密闭防爆腔体内部一侧，其上用于放置待测动力电池；所述针刺组件包括：针刺头A2、针刺底座及固定装置；所述针刺头设置在针刺底座上，所述针刺底座通过固定装置连接在密闭防爆腔体内部另一侧的防爆顶盖上；
所述电池充放电模块包括置于腔体的腔体壁A3上的两个充放电接线柱C1和C2和两个温度采集通道C3和C4；密闭防爆腔体外部充电柜的接线柱通过两个充放电接线柱与密闭防爆腔体内部的动力电池正负极连接；密闭防爆腔体外部控制系统的温度采集装置的温度传感器通过两个温度采集通道进入密闭防爆腔体内部，并置于待测动力电池上的监测点；
所述抽真空装置包括内外壁气体循环通道D1和D2、腔体外壁控制阀D4、腔体内部气体压力传感器D3、抽真空泵D5；
所述气体收集装置包括防爆腔体与气体收集装置连通通道E1，气体收集釜E2，气体收集釜控制阀门E3；
所述气体分析装置包括气体收集釜与气相色谱质谱联用仪连通通道F1、气体收集釜控制阀门F2、气相色谱质谱联用仪F3；
所述惰性气体循环装置包括惰性气体控制阀门F4、惰性气瓶F5；
所述控制系统包括主机H、通讯线和急速自动泄压阀H1、压力传感器H2；
所述控制系统分别与电池充放电模块、气体分析装置相连。
其中，所述防爆观察窗为耐高温防爆玻璃。
其中，所述针刺平台为一长方体升降平台B1，长方体升降平台B1中间有中空圆柱，长方体升降平台下部受升降液压柱支撑；
所述升降液压柱为液压台B2。
其中，所述针刺平台上设有一升降控制传感器B3连接至主机。
其中，所述长方体升降平台B1的尺寸为10cm*8cm*5cm。
其中于，所述长方体升降平台B1中间的中空圆柱半径为2cm。
其中，所述装置工作过程中，包括如下步骤：
步骤1：测量被测动力电池的尺寸和重量，计算电池体积；
步骤2：将被测动力电池放置于密闭防爆腔体内部的升降平台上，保证被测动力电池的中心部位处于针刺平台的中心；被测动力电池的正负极与腔体壁A3上的两个充放电接线柱C1和C2连接，将两个温度采集通道C3和C4内的温度传感器置于电池表面中心部位及其他监测点；
步骤3：利用铰链将防爆顶盖A1放置于腔体上，并用防爆螺栓拧紧；
步骤4：打开抽真空控制阀D4和抽真空泵D5，将密闭防爆腔体进行抽真空处理；
步骤5：设定试验参数，根据试验和样品需要，设定充电柜的充电电流和电压，待达到试验需要的样品状态后，设定针刺头A2的针刺速度和针刺行进距离，记录样品表面温度；
步骤6：热失控过程中记录密闭防爆腔体内部的压力变化；待试验反应一定时间，气体温度降至一定温度以下时，打开气体收集釜控制阀门E3、气体收集釜控制阀门F2、惰性气体控制阀门F4，将气体流入气相色谱质谱联用仪F3中分析。
其中，所述步骤5中，根据试验需要，利用充电柜进行不同SOC电量的控制，可单独选择针刺或充放电的相关操作，即单独或同时对样品进行充放电或针刺行为操作。
其中，所述被测动力电池为锂离子电池。
其中，所述一定温度为50℃。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，其特征在于，所述装置包括：密闭防爆腔体、针刺装置、电池充放电模块、抽真空装置、气体收集装置、气体分析装置、惰性气体循环装置、控制系统；
所述密闭防爆腔体包括：防爆顶盖(A1)、防爆观察窗、腔体；所述防爆顶盖、防爆观察窗、腔体通过防爆螺栓形成一个防爆密闭空间；
所述针刺装置包括针刺组件、针刺平台、升降液压柱；所述针刺平台为中空针刺平台，通过升降液压柱进行升降，位于密闭防爆腔体内部一侧，其上用于放置待测动力电池；所述针刺组件包括：针刺头(A2)、针刺底座及固定装置；所述针刺头设置在针刺底座上，所述针刺底座通过固定装置连接在密闭防爆腔体内部另一侧的防爆顶盖上；
所述电池充放电模块包括置于腔体的腔体壁(A3)上的两个充放电接线柱(C1和C2)和两个温度采集通道(C3和C4)；密闭防爆腔体外部充电柜的接线柱通过两个充放电接线柱与密闭防爆腔体内部的动力电池正负极连接；密闭防爆腔体外部控制系统的温度采集装置的温度传感器通过两个温度采集通道进入密闭防爆腔体内部，并置于待测动力电池上的监测点；
所述抽真空装置包括内外壁气体循环通道(D1和D2)、腔体外壁控制阀(D4)、腔体内部气体压力传感器(D3)、抽真空泵(D5)；
所述气体收集装置包括防爆腔体与气体收集装置连通通道(E1)，气体收集釜(E2)，气体收集釜控制阀门(E3)；
所述气体分析装置包括气体收集釜与气相色谱质谱联用仪连通通道(F1)、气体收集釜控制阀门(F2)、气相色谱质谱联用仪(F3)；
所述惰性气体循环装置包括惰性气体控制阀门(F4)、惰性气瓶(F5)；
所述控制系统包括主机(H)、通讯线和急速自动泄压阀(H1)、压力传感器(H2)；
所述控制系统分别与电池充放电模块、气体分析装置相连。
2.如权利要求1所述的密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，其特征在于，所述防爆观察窗为耐高温防爆玻璃。
3.如权利要求1所述的密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，其特征在于，所述针刺平台为一长方体升降平台(B1)，长方体升降平台(B1)中间有中空圆柱，长方体升降平台下部受升降液压柱支撑。
4.如权利要求3所述的密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，其特征在于，所述针刺平台上设有一升降控制传感器(B3)连接至主机。
5.如权利要求3所述的密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，其特征在于，所述长方体升降平台(B1)的尺寸为10cm*8cm*5cm。
6.如权利要求3所述的密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，其特征在于，所述长方体升降平台(B1)中间的中空圆柱半径为2cm。
7.如权利要求1所述的密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，其特征在于，所述装置工作过程中，包括如下步骤：
步骤1：测量被测动力电池的尺寸和重量，计算电池体积；
步骤2：将被测动力电池放置于密闭防爆腔体内部的升降平台上，保证被测动力电池的中心部位处于针刺平台的中心；被测动力电池的正负极与腔体壁(A3)上的两个充放电接线柱(C1和C2)连接，将两个温度采集通道(C3和C4)内的温度传感器置于电池表面中心部位及其他监测点；
步骤3：利用铰链将防爆顶盖(A1)放置于腔体上，并用防爆螺栓拧紧；
步骤4：打开抽真空控制阀(D4)和抽真空泵(D5)，将密闭防爆腔体进行抽真空处理；
步骤5：设定试验参数，根据试验和样品需要，设定充电柜的充电电流和电压，待达到试验需要的样品状态后，设定针刺头(A2)的针刺速度和针刺行进距离，记录样品表面温度；
步骤6：热失控过程中记录密闭防爆腔体内部的压力变化；待试验反应一定时间，气体温度降至一定温度以下时，打开气体收集釜控制阀门(E3)、气体收集釜控制阀门(F2)、惰性气体控制阀门(F4)，将气体流入气相色谱质谱联用仪(F3)中分析。
8.如权利要求7所述的密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，其特征在于，所述步骤5中，根据试验需要，利用充电柜进行不同SOC电量的控制，可单独选择针刺或充放电的相关操作，即单独或同时对样品进行充放电或针刺行为操作。
9.如权利要求7所述的密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，其特征在于，所述被测动力电池为锂离子电池。
10.如权利要求7所述的密闭空间内动力电池针刺触发热失控系统及气体收集装置，其特征在于，所述一定温度为50℃。
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