CN113203958A - 电池热失控爆炸危害评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及电池热失控爆炸危害评估方法。本发明实施例将电池单体置于密闭容器内；对电池单体进行热失控触发；待电池单体热失控结束，测试密闭容器内的可燃气体种类及组分占比；根据可燃气体种类及组分占比，配置等种类及等组分比例的可燃混合气体；将可燃混合气体充入待测电池系统内，直至达到待测电池系统防爆阀开启压力的特定百分比；点燃电池系统内的可燃混合气体；测试可燃混合气体爆炸冲击波压强。本发明实施例能够实现快速、准确模拟电池系统内由于电池热失控导致的大量可燃气体聚集后，在明火点燃条件下的爆炸场景，并能够实现爆炸时刻的人为精确控制，从而实现电池系统爆炸强度和次生灾害的安全可控测试。
Description
技术领域
本发明涉及动力电池技术领域，具体地说，本发明涉及一种电池热失控爆炸危害评估方法。
背景技术
随着全球范围内不可再生能源短缺、环境污染、温室效应的该问题的加剧，新能源汽车的发展得到越来越多的关注，目前已经从推广应用阶段正式进入了大规模普及应用阶段。2019年和2020年，我国新能源汽车销量分别达到120.6万辆和130万辆，连续五年位居世界第一。
锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长、自放电率低等优点，目前是电动汽车最主要的动力源。但是随着电动汽车保有量的增加，世界范围内出现了一些动力电池起火相关的安全事故。与此同时，电动汽车长续驶里程等市场需求对其所用的动力电池的各方面性能提出了更高要求，尤其是对电池能量密度的需求越来越高，这就导致现有液态电解质动力电池的安全风险越来越高。
对于电动汽车而言，动力电池系统发生安全事故的形态通常冒烟、起火和爆炸，尤其是当发生爆炸时，会对周围环境造成巨大的破坏，并带来严重的人员伤害。因此发明能够评估动力电池单体发生热失控后、电池系统进而发生爆炸的危害评估方法，能够为电池系统的壳体改进提供数据支撑，最大程度减小电池包爆炸的次生灾害，对于保护人员安全和车辆周围环境破坏具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是制定一种电池热失控爆炸危害评估方法，用于评估电池系统内电池单体发生热失控后、电池系统发生爆炸的危害评估。该方法主要根据测定的动力电池热失控后的产气量及产气组分，制备组合混合气，并将混合气充入电池系统内进行点燃，通过测试电池系统向四周发射固体物情况、电池系统四周冲击波特征等，实现电池系统爆炸危害的评估。
基于本方法的应用，能够实现快速、准确模拟电池系统内由于电池热失控导致的大量可燃气体聚集后，在明火点燃条件下的爆炸场景，并能够实现爆炸时刻的人为精确控制，从而实现电池系统爆炸强度和次生灾害的安全可控测试。
一种电池热失控爆炸危害评估方法，包括以下步骤：
将电池单体置于密闭容器内，密闭容器内的气体压力与电池系统内的气体压力相同，密闭容器内的气体成分与电池系统内的气体成分相同；
对电池单体进行热失控触发；
待电池单体热失控结束，测试密闭容器内的可燃气体种类及组分占比；
根据可燃气体种类及组分占比，配置等种类及等组分比例的可燃混合气体；
将可燃混合气体充入待测电池系统内，直至达到待测电池系统防爆阀开启压力的特定百分比；
点燃电池系统内的可燃混合气体；
测试可燃混合气体爆炸冲击波压强。
优选的，可燃气体种类包括CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6和C3H6。
优选的，电池单体成功发生热失控触发的条件包括：
电池电压降低幅度超过第一阈值&温度变化率超过第二阈值&密闭腔室内压力增加幅度超过第三阈值；
或电池温度超过第四阈值&温度变化率超过第二阈值&密闭腔室内压力增加幅度超过第三阈值。
优选的，第一阈值为25％，第二阈值为1℃/s，第三阈值为200％，第四阈值为电池最高温度。
优选的，判断电池热失控结束的方法是电池表面以及密闭容器内温度传感器探测到的温度降低到设定温度阈值以下；设定温度阈值为40℃。
优选的，对电池进行热失控触发的方法包括：外部加热、针刺、过充或内部短路。
优选的，电池系统防爆阀开启压力的特定百分比为90％-95％。
优选的，在电池系统防爆阀及接插件接口处等距离电池包壳体表面一定距离处安装有冲击波测试仪，通过冲击波测试仪测试可燃混合气体爆炸冲击波压强。
优选的，电池系统四周放置有隔离墙。
优选的，当电池系统上的部件在爆炸过程中射出后，通过评价射出物对隔离墙的损坏，来评价电池系统的爆炸危害。
本发明实施例与现有技术相比，具体有益效果如下：
一方面能够模拟电池系统内由于电池热失控导致的大量可燃气体聚集后，在明火点燃条件下的爆炸场景，通过实现爆炸时刻的人为精确控制，从而实现电池系统爆炸强度和次生灾害的安全测试。
另外一方面，由于电池系统内部热失控热扩散过程存在一定的随机性，电池是否爆炸也存在随机性，因此测试电池系统爆炸极限存在较大困难，本发明通过测定电池单体可燃气体种类及组分占比，并通过等比放大的方式向电池系统内充入最大体积且相同组分、相同组分比例的可燃气体，实现了电池爆炸极限的准确模拟。进而通过电池包外部隔离墙的损伤程度和冲击波测试仪获取电池系统爆炸危害数据，用于进行电池系统的壳体改进，最大程度减小电池包爆炸的次生灾害，保护人员安全，减小车辆周围环境破坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为电池单体热失控测试及可燃气体采集示意图；
图2为电池系统内充入可燃混合气体示意图；
图3为电池系统隔离墙及压力冲击波测试仪布置方案示意图；
图4为本发明一实施例的评估方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
下面将结合参考附图来详细说明本发明实施例。
本发明实施例的电池热失控爆炸危害评估方法，具体包括以下步骤：
步骤S100：将电池单体置于密闭容器内，密闭容器内的气体压力与电池系统内的气体压力相同，密闭容器内的气体成分与电池系统内的气体成分相同。
优选的，密闭容器的气体压力为大气压，密闭容器内的气体成分为空气组成成分。
在本发明的另一实施例中，以方形锂离子电池的电池系统为例，如附图1所示，将方形电池单体1置于密闭容器2内，密闭容器2内的气体压力与电池系统内的气体压力相同，密闭容器2内的气体成分与电池系统内的气体成分相同。其中，密闭容器的气体压力为大气压，密闭容器内的气体成分为空气组成成分。
步骤S200：对电池单体进行热失控触发。采用的触发方法包括外部加热、针刺、过充和内部短路模拟等，优选能够引起电池温度剧烈升高，并进而冒烟或起火的触发方法。
在本发明的另一实施例中，采用外部加热方式对电池进行热失控触发，如附图1所示，电池单体1表面与电加热器3接触。电加热器由可编程电源4控制，实现在特定电流和电压下工作，从而保持以稳定的加热功率对电池单体1进行加热。
电池开始温升后，实时监测电池表面温度、电池电压和密闭容器内压力变化，待满足下列条件之一即判断电池成功发生热失控：
条件1：电池电压降低幅度超过第一阈值&温度变化率超过第二阈值&密闭腔室内压力增加幅度超过第三阈值；优选的，第一阈值为25％，第二阈值为1℃/s，第三阈值为200％。
条件2：电池温度超过第四阈值&温度变化率超过第二阈值&密闭腔室内压力增加幅度超过第三阈值；优选的，第四阈值为电池最高温度，第二阈值为1℃/s，第三阈值为200％。
通过条件1和条件2对热失控成功的判定，可以使热失控判定更加精准，进而使得本发明的评估方法更加精准；其中第一阈值、第二阈值、第三阈值和第四阈值的设定也与本发明评估方法的精准性密切相关，是经过大量试验研究得到的。
步骤S300：待电池单体热失控结束，测试密闭容器内的可燃气体种类及组分占比。
具体的，判断电池单体热失控结束的方法是电池表面以及密闭容器内温度传感器探测到的温度降低到设定温度阈值以下。优选的，温度阈值为40℃。
测试密闭容器内的可燃气体种类及组分占比的步骤包括：通过密闭容器连接的电磁阀，将密闭容器内的可燃气体存储到气袋中，通过傅里叶红外光谱仪等测试可燃气体种类及组分占比，本发明所选用的典型热失控气体种类包括CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6和C3H6。
根据试验结果，上述7种气体在热失控释放气体的浓度总占比超过99％。经过相关试验和研究，本发明采用上述7种典型气体作为电池热失控气体，为本发明的气体组分及组分比例的确定、后续人工配置可燃混合气体提供便捷，并可以保证后续爆炸危害评估具有足够的准确性。
在本发明的另一实施例中，待电池单体表面以及密闭容器内温度传感器探测到的温度降低到40℃以下，此时判断电池单体1热失控过程结束。通过密闭容器连接的电磁阀5，将密闭容器内的可燃气体存储到气袋6中，气袋的容积优选3L、4L、5L。通过气袋将气体转移至傅里叶红外光谱仪等分析仪器中，测定气袋中可燃气体种类及组分。优选分析的热失控气体种类包括CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6和C3H6。
步骤S400：根据可燃气体种类及组分占比，配置等种类及等组分比例的可燃混合气体。
具体的，根据测定的可燃气体种类及组分占比，配置等种类及等组分比例的可燃混合气体，并储存于密闭容器中。
步骤S500：将可燃混合气体充入待测电池系统内，直至达到待测电池系统防爆阀开启压力的特定百分比。
具体的，如附图2所示，电池系统7内部存在若干电池模组8，电池模组由若干电池单体1组成。电池模组8和电池系统7的壳体之间存在一定的空间。实现将起火点燃装置安装于电池系统7内部。密闭容器10中存储的经人为配置的电池热失控可燃混合气体在电磁阀11的控制下充入电池系统7内，直至达到待测电池系统防爆阀开启压力的特定百分比，停止充入。优选的，所述特定百分比为90％-95％。
步骤S600：点燃电池系统内可燃混合气体。电池系统内部安置有遥控起火点燃装置，控制启动该点火装置可点燃电池系统内可燃混合气体。
步骤S700：测试可燃混合气体爆炸冲击波压强。电池系统四周放置有隔离墙，电池系统防爆阀及接插件接口处等距离电池包壳体表面安装有冲击波测试仪，该冲击波测试仪的作用为测试冲击波压强，标定出不同冲击波压强等级。
通过在电池系统防爆阀及插接件接口处等距离电池包壳体表面安装冲击波测试仪，考虑到距离的增加会导致冲击波的衰减，等距离安装冲击波测试仪可以使得本发明测试及评估结果更加精准。
具体的，如附图3所示，电池系统7内部存在电池模组8，同时安置有遥控起火点燃装置9，电池系统7防爆阀及接插件接口处等距离电池包壳体表面一定距离处安装有冲击波测试仪12，该冲击波测试仪的作用为测试冲击波压强，标定出不同波强等级。电池系统7四周放置有隔离墙13，隔离墙一方面起到保护作用，一方面当电池系统7上的部件在爆炸过程中射出后，通过评价射出物对隔离墙的损坏，来评价电池系统的爆炸危害。控制启动点火装置9，点燃电池包内可燃气体，实现电池系统爆炸强度和次生灾害的安全可控测试。
上述具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本申请的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电池热失控爆炸危害评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
将电池单体置于密闭容器内，密闭容器内的气体压力与电池系统内的气体压力相同，密闭容器内的气体成分与电池系统内的气体成分相同；
对电池单体进行热失控触发；
待电池单体热失控结束，测试密闭容器内的可燃气体种类及组分占比；
根据可燃气体种类及组分占比，配置等种类及等组分比例的可燃混合气体；
将可燃混合气体充入待测电池系统内，直至达到待测电池系统防爆阀开启压力的特定百分比；
点燃电池系统内的可燃混合气体；
测试可燃混合气体爆炸冲击波压强。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，可燃气体种类包括CO2、CO、H2、C2H4、CH4、C2H6和C3H6。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电池单体成功发生热失控触发的条件包括：
电池电压降低幅度超过第一阈值&温度变化率超过第二阈值&密闭腔室内压力增加幅度超过第三阈值；
或电池温度超过第四阈值&温度变化率超过第二阈值&密闭腔室内压力增加幅度超过第三阈值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第一阈值为25％，第二阈值为1℃/s，第三阈值为200％，第四阈值为电池最高温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断电池热失控结束的方法是电池表面以及密闭容器内温度传感器探测到的温度降低到设定温度阈值以下；设定温度阈值为40℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对电池进行热失控触发的方法包括：外部加热、针刺、过充或内部短路。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电池系统防爆阀开启压力的特定百分比为90％-95％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电池系统防爆阀及接插件接口处等距离电池包壳体表面一定距离处安装有冲击波测试仪，通过冲击波测试仪测试可燃混合气体爆炸冲击波压强。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，电池系统四周放置有隔离墙。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当电池系统上的部件在爆炸过程中射出后，通过评价射出物对隔离墙的损坏，来评价电池系统的爆炸危害。
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