CN113161634B - 一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置及方法 - Google Patents

一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置及方法，该装置包括热电偶、若干锂离子电池、电池测试系统、高低温控箱、针刺挤压模块、气体监测系统、上位机。本发明公开的模拟装置可以实现过充电、过放电、短路、高温及低温故障的模拟，并实时监测发生该类故障时锂离子电池释放的气体信号，通过计算机进行气体种类及浓度变化的分析。本发明无需复杂的软件控制系统，各设备间的连接方法简单，模拟装置均为常规设备和模块。

Description

一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置及方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置及方法。
背景技术
新能源快速发展的同时存在间隙性和波动性的特点，这导致新能源电源存在发电不稳定的缺点。储能电站可与新能源发电联合应用，是解决新能源发电问题的有效途径。在众多电池中，锂电池又因为具有高比能量、高比功率、成本适中等特点得到广泛应用。然而，在应用过程中，锂电池的安全性能不佳的问题暴露出来，以热失控为特征的爆炸行为时有发生。
通过模拟锂离子电池的典型故障，不同的设计可以实现不同信号的采集，对信号的后续分析可为储能电站的故障预警提供新思路新方法。目前，针对锂离子电池的故障模拟研究多为渐进性故障，集中在电池的老化循环方面。而突发性故障同样是锂离子电池工作过程中容易遇到的故障类型，由于缺少能够表征锂离子电池突发性故障的特征信号及模拟方法，鲜有针对锂离子电池突发性故障的模拟研究及相应的模拟方法提出。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置及方法。
本发明采用如下的技术方案：
一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置，包括热电偶1、若干锂离子电池2、电池测试系统3、高低温控箱4、针刺挤压模块5、气体监测系统6、上位机7，其特征在于：
热电偶1和电池测试系统3与锂电子电池2相连；
在锂离子电池正常循环模拟、过充过放故障模拟I以及高温故障模拟II场景下，锂离子电池放置于高低温控箱4中，高低温控箱4与气体监测系统6通过预留的气管相连；
在锂离子电池短路故障模拟场景下，锂离子电池放置在针刺挤压模块5中；针刺挤压模块5与气体监测系统6通过预留的气管相连；
气体监测系统6与上位机7相连，并将气体数据上传至上位机7进行分析。
电池测试系统3用于实现锂离子电池的过充电、过放电设置，电池检测系统3分为主检测设备、电压电流检测设备及温度检测设备；
主检测设备实现其他两个设备的总控制；电压电流检测设备通过夹具连接电池的正负极，可实现对电池的充放电设置及实时的电压电流监测；温度检测设备通过热电偶1粘贴在电池的正负极，实现对电池正负极温度的实时监测。
锂离子电池2的充放电过程在高低温控箱4内进行。
气体检测系统6内设置有气体传感器，气体传感器监测的气体为锂离子电池故障可能析出的典型气体，包括CO2、CO、H2、CH4、C2H5F和VOC气体；
气体检测系统6对采集到的气体组分和对应组分的浓度进行监测，并将所监测的组分和对应组分的浓度数据存入上位机7。
气体传感器包括红外线传感器、电化学传感器和PID传感器；
红外传感器测量CO2、CH4和C2H5F；
电化学传感器测量CO和H2；
PID传感器测量挥发性有机气体VOC，并进行化学性质相近气体的抗干扰处理。
上位机7一方面接收由电池检测系统传来的电压、电压及温度数据，一方面接收由气体检测系统传来的气体组分及其实时浓度信息。
本发明还公开了基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置的锂离子电池故障模拟方法，锂离子电池故障模拟方法包括以下步骤：
步骤1：采集锂离子电池正常充放电时候的气体、电压、电流以及温度数据作为正常对照数据；
步骤2：对锂离子电池进行故障模拟；
步骤3：采集步骤2模拟的故障锂离子电池时的电压、电流、温度以及释放的气体；
步骤4：将步骤3中采集的故障锂离子电池释放的气体以及故障锂离子电池的电压、电流、温度数据与步骤1中的正常对照组数据做对比分析。
在步骤1中，充放电电流的选择按照公式“充放电倍率＝充放电电流/额定容量”进行选择，正常充放电截止电压按照样本电池的标称参数进行选择。
充电方式是采用n1小时率放电电流进行充电，电池电压至样本电池标定充电截止电压电压时结束充电；放电方式是采用n2小时率放电电流进行放电，电池电压至样本电池标定放电截止电压电压时结束放电。
n1的值为1述n2的值为1。
步骤2包括以下内容：
步骤201：利用电池测试系统3模拟锂离子电池的过充电模拟，采用3A恒电流进行充电，正常充电截止电压按照正常充电电压的1.5倍进行设定，即样本电池标定充电截止电压的1.5倍；
步骤202：利用针刺挤压一体机5模拟锂离子电池的短路故障模拟，选用
Figure BDA0002997190370000031
的耐高温钢针，针尖的圆锥角度选择范围为[45°,60°]，针刺速度的设置范围为[20mm/s,30mm/s]，从垂直于蓄电池极板的方向贯穿；将待模拟电池放入机箱内，利用夹具进行固定，防止针刺过程中电池发生径向偏移；电池完成针刺后，钢针停留在电池内部，停留时间的选择范围为[600s,900s]；相邻两组模拟需要更换新的钨钢针；
步骤203：利用高低温控箱4模拟锂离子电池的高温故障模拟，将电池放入温控箱4，初始温度的选择范围为[23℃,27℃]，然后以5℃/min的速率升温至最终温度，其选择范围为[128℃,132℃]，并保持30至40分钟。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明所述的模拟装置，可以实现包括锂离子电池过充电、过放电、短路、高温、低温等故障在内的多种突发性故障的设置，并可根据模拟需要进行诸如过充次数、短路程度等的故障深度设置，模拟装置均为常规设备与装置，一般电器厂家都可以实现，操作简单，可重复性强。
模拟方法中气体信号不同于一般电池监测参数，锂离子电池的气体信号发出报警信息的速度优于一般电池监测参数，其作为预警信号可大大提高预警装置的灵敏度，保障储能电站的安全运行。
附图说明
图1是本发明一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置示意图；
图2是本发明气体检测系统传感器及主要结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
为达到本发明的目的，如图1所示，本发明的其中一种实施方式中提供一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置，其特征在于，包括热电偶1、若干锂离子电池2、电池测试系统3、高低温控箱4、针刺挤压模块5、气体监测系统6、上位机7。
热电偶1和电池测试系统3与锂离子电池2相连。
热电偶1对电池温度进行测量。
电池测试系统3用于实现锂离子电池的过充电、过放电设置，电池检测系统3分为主检测设备、电压电流检测设备及温度检测设备。主检测设备实现其他两个设备的总控制；电压电流检测设备通过夹具连接电池的正负极，可实现对电池的充放电设置及实时的电压电流监测；温度检测设备通过热电偶1粘贴在电池的正负极，实现对电池正负极温度的实时监测。
在锂离子电池正常循环模拟、过充过放故障模拟以及高温故障模拟场景下，锂离子电池放置于高低温控箱4中，锂离子电池的充放电过程在高低温控箱4内进行，气体监测系统6通过预留在高低温控箱4内的气管进行气体采集，同时进行对锂离子电池2的电压电流测量，气体监测系统6与上位机7相连；
在锂离子电池短路故障模拟场景下，锂离子电池放置在针刺挤压模块5中。针刺挤压模块5与气体监测系统6通过预留的气管相连，并通过该气管实现锂离子电池的故障气体采集。
所述气体检测系统6对采集到的气体组分和对应组分的浓度进行监测，并将所监测的组分和对应组分的浓度数据存入上位机7。
气体检测系统6内设置有气体传感器，气体传感器监测的气体为锂离子电池故障可能析出的典型气体，包括CO2、CO、H2、CH4、C2H5F和VOC气体。该气体传感器的结构示意图如图2所示。
利用红外传感器测量CO2、CH4和C2H5F，利用电化学传感器进行测量CO和H2，利用PID传感器进行测量挥发性有机气体VOC，并进行化学性质相近气体的抗干扰处理。
气体监测系统6将采集到的气体数据上传至上位机7，进行后续分析。上位机7一方面接收由电池检测系统传来的电压、电压及温度数据，一方面接收由气体检测系统传来的气体组分及其实时浓度信息。
具体的，所述基于气体信号监测的锂离子电池故障测试装置，如图1可依据线路Ⅰ进行锂离子电池正常循环模拟、过充过放故障模拟以及电池高温故障模拟；据线路II进行锂离子电池短路故障模拟。
作为本发明的一种优选技术方案，本发明还提供一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集锂离子电池正常充放电时候的气体、电压、电流以及温度数据作为正常对照数据。利用电池测试系统3模拟锂离子电池的正常充放电电，进行锂离子电池的正常循环模拟。充放电电流的选择按照公式“充放电倍率＝充放电电流/额定容量”进行选择，正常充放电截止电压按照样本电池的标称参数进行选择。充电方式是采用n1小时率放电电流进行充电，电池电压至样本电池标定充电截止电压电压时结束充电；放电方式是采用n2小时率放电电流进行放电，电池电压至样本电池标定放电截止电压电压时结束放电。在本实施例中，n1与n2的值都为1。锂离子电池在正常充放电过程中放置于高低温控箱4内。
步骤2：对锂离子电池进行故障模拟，本装置可实现的锂离子电池故障包括但不限于以下3种，示例3类故障的实现方法如下：
步骤201：利用电池测试系统3模拟锂离子电池的过充电，过充电电流的选择与正常循环模拟保持一致，采用3A恒电流进行充电，正常充电截止电压按照正常充电电压的1.5倍进行设定，即样本电池标定充电截止电压的1.5倍。进行锂离子电池的过充故障测试，锂离子电池在过充电过程中放置于高低温控箱4内。
步骤202：利用针刺挤压一体机5模拟锂离子电池的短路故障，选用
Figure BDA0002997190370000051
Figure BDA0002997190370000052
的耐高温钢针(针尖的圆锥角度为45°～60°)，并设置25±5mm/s的针刺速度，从垂直于蓄电池极板的方向贯穿。将待模拟电池放入机箱内，利用夹具进行固定，防止针刺过程中电池发生径向偏移。电池完成针刺后，钢针停留在电池内部，停留时间为600s～900s。相邻两组模拟需要更换新的钨钢针。
步骤203：利用高低温控箱4模拟锂离子电池的高温故障，将电池放入温控箱4，初始温度为25±2℃，然后以5℃/min的速率升温至130±2℃，并保持30～40分钟。
步骤3：采集步骤2模拟的故障锂离子电池时的电压、电流、温度以及释放的气体。通过电池测试系统3进行锂离子电池的故障电压电流测量，利用热电偶1进行锂离子电池的故障温度测量。气体检测系统6通过气管与电池所在设备腔体连接，并进行故障气体数据采集；
步骤4：将步骤3中采集的故障锂离子电池释放的气体以及故障锂离子电池的电压、电流、温度数据与步骤1中的正常对照组数据做对比分析。电池正常循环时不会析出CO、H2、CH4、C2H5F和VOC气体，并且不会或者极少量析出CO2，如果故障模拟的结果出现背离正常循环的产气情况，则可视为故障。
所有模拟在初始温度25±2゜C下进行，同一箱体内相邻模拟的时间间隔超过12h，期间使用风扇对箱体进行散热和排气，保证前一组模拟对下一组模拟没有任何影响。
本发明所述的模拟设备，可以实现包括锂离子电池过充电、过放电、短路、高温、低温等故障在内的多种突发性故障模拟，并可根据模拟需要进行诸如过充次数、短路程度等的故障深度设置，模拟装置均为常规设备与模块，一般电器厂家都可以实现，操作简单，可重复性强。
模拟方法中气体信号不同于一般电池监测参数，锂离子电池的气体信号发出报警信息的速度优于一般电池监测参数，其作为预警信号可大大提高预警装置的灵敏度，保障储能电站的安全运行。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置，包括热电偶(1)、若干锂离子电池(2)、电池测试系统(3)、高低温控箱(4)、针刺挤压模块(5)、气体监测系统(6)、上位机(7)，其特征在于：
所述热电偶(1)和电池测试系统(3)与锂离子电池(2)相连；
在锂离子电池正常循环模拟、过充过放故障模拟以及高温故障模拟场景下，锂离子电池放置于高低温控箱(4)中，高低温控箱(4)与气体监测系统(6)通过预留的气管相连；其中，过充过放故障模拟时，充电电流为3A恒电流，正常充电截止电压按照正常充电电压的1.5倍进行设定；高温故障模拟时，高低温控箱的初始温度的选择范围为[23℃,27℃]，最终温度的选择范围为[128℃,132℃]；
在锂离子电池短路故障模拟场景下，锂离子电池放置在针刺挤压模块(5)中；针刺挤压模块(5)与气体监测系统(6)通过预留的气管相连；其中，针刺挤压模块(5)包括
Figure FDA0003721220410000011
的耐高温钢针，针尖的圆锥角度选择范围为[45°,60°]，针刺速度的设置范围为[20mm/s,30mm/s]，钢针从垂直于蓄电池极板的方向贯穿，电池完成针刺后，钢针停留在电池内部，停留时间的选择范围为[600s,900s]；
气体监测系统(6)与上位机(7)相连，并将气体数据上传至上位机(7)进行分析。
2.根据权利要求1所述的基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置，其特征在于：
所述电池测试系统(3)用于实现锂离子电池的过充电、过放电设置，电池测试系统(3)分为主检测设备、电压电流检测设备及温度检测设备；
主检测设备实现对电压电流检测设备及温度检测设备的总控制；电压电流检测设备通过夹具连接电池的正负极，可实现对电池的充放电设置及实时的电压电流检测；温度检测设备通过热电偶(1)粘贴在电池的正负极，实现对电池正负极温度的实时检测。
3.根据权利要求1或2所述的基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置，其特征在于：
所述锂离子电池(2)的充放电过程在高低温控箱(4)内进行。
4.根据权利要求3所述的基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置，其特征在于：
所述气体监测系统(6)内设置有气体传感器，气体传感器监测的气体为锂离子电池故障析出的气体，包括CO2、CO、H2、CH4、C2H5F和VOC气体；
所述气体监测系统(6)对采集到的气体组分和对应组分的浓度进行监测，并将所监测的气体组分和对应组分的浓度数据存入上位机(7)。
5.根据权利要求4所述的基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置，其特征在于：
所述气体传感器包括红外线传感器、电化学传感器和PID传感器；
所述红外线传感器测量CO2、CH4和C2H5F；
所述电化学传感器测量CO和H2；
所述PID传感器测量挥发性有机气体VOC，并进行化学性质相近气体的抗干扰处理。
6.根据权利要求5所述的基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置，其特征在于：
所述上位机(7)一方面接收由电池测试系统传来的电压、电压及温度数据，一方面接收由气体监测系统传来的气体组分及对应组分的实时浓度信息。
7.基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟方法，利用权利要求1-6任意一项所述的基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟装置而实现，其特征在于，所述锂离子电池故障模拟方法包括以下步骤：
步骤1：采集锂离子电池正常充放电时候的气体、电压、电流以及温度数据作为正常对照数据；
步骤2：对锂离子电池进行故障模拟；
步骤3：采集步骤2模拟的故障锂离子电池的电压、电流、温度以及释放的气体；
步骤4：将步骤3中采集的故障锂离子电池释放的气体以及故障锂离子电池的电压、电流、温度数据与步骤1中的正常对照组数据做对比分析。
8.根据权利要求7所述的基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟方法，其特征在于：
在所述步骤1中，充放电电流的选择按照公式“充放电倍率＝充放电电流/额定容量”进行选择，正常充放电截止电压按照样本电池的标称参数进行选择。
9.根据权利要求8所述的基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟方法，其特征在于：
充电方式是采用n1小时率放电电流进行充电，电池电压至样本电池标定充电截止电压时结束充电；放电方式是采用n2小时率放电电流进行放电，电池电压至样本电池标定放电截止电压时结束放电。
10.根据权利要求9所述的基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟方法，其特征在于：
所述n1的值为1，所述n2的值为1。
11.根据权利要求10所述的基于气体信号监测的锂离子电池故障模拟方法，其特征在于：
所述步骤2包括以下内容：
步骤201：利用电池测试系统(3)模拟锂离子电池的过充电模拟，采用3A恒电流进行充电，正常充电截止电压按照正常充电电压的1.5倍进行设定，即样本电池标定充电截止电压的1.5倍；
步骤202：利用针刺挤压模块(5)模拟锂离子电池的短路故障模拟，选用
Figure FDA0003721220410000031
的耐高温钢针，针尖的圆锥角度选择范围为[45°,60°]，针刺速度的设置范围为[20mm/s,30mm/s]，从垂直于蓄电池极板的方向贯穿；将待模拟锂离子电池放入机箱内，利用夹具进行固定，防止针刺过程中电池发生径向偏移；锂离子电池完成针刺后，钢针停留在锂离子电池内部，停留时间的选择范围为[600s,900s]；相邻两组模拟需要更换新的钨钢针；
步骤203：利用高低温控箱(4)模拟锂离子电池的高温故障模拟，将电池放入高低温控箱(4)，初始温度的选择范围为[23℃,27℃]，然后以5℃/min的速率升温至最终温度，其选择范围为[128℃,132℃]，并保持30至40分钟。
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