CN114019398A - 一种电池系统热失控试验装置及电池系统热失控试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于动力电池安全技术领域，公开了一种电池系统热失控试验装置及电池系统热失控试验方法，该装置包括箱体、流场信息采集单元、示踪气体控制单元。流场信息采集单元设置在箱体的密闭空腔内；示踪气体控制单元设置在箱体的进气管道上，进气管道与空腔相连通用于向空腔通入示踪气体。本发明提供的试验装置结构简单，操作方便，成本较低，节约试验时间，提高了泄放设计的有效性。本发明提供的试验方法在动力电池系统开发阶段模拟发生热失控时内部高能气体的分布，将试验结果和仿真结果进行对比分析，再校正数学模型，从而对电池系统进行优化，提升了泄放设计的有效性。

Description

一种电池系统热失控试验装置及电池系统热失控试验方法

技术领域

本发明涉及动力电池安全技术领域，尤其涉及一种电池系统热失控试验装置及电池系统热失控试验方法。

背景技术

动力电池多指为电动汽车、电动自行车、电动列车等工具提供动力的蓄电池。动力电池在快速充放电或使用过程中会释放大量的热量，为避免因释放的热量过大而发生自燃事故，在电池投入使用之前要进行热失控试验。动力电芯热失控的发生往往伴随着剧烈的高能气体释放，这些高能气体通常还携带电解液、电极材料、集流体等液态和固态物质，从而导致电池系统内部压力骤增，并且，这些物质有可能快速释放到空气中，高能气体与空气相遇后，在高温颗粒物的作用下剧烈燃烧，导致安全事故发生。因此，需要设计有效的气体泄放方案，使热失控产生的高能气体及时排出电池系统，避免安全事故发生。

目前，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真是设计气体泄放常用的辅助手段，但设计方案的效果需要采用大量的试制样件进行验证，这会耗费较多的时间、成本和试验资源，且试验结果与真实情况存在一定误差。因此，亟需提出一种电池系统热失控试验装置及电池系统热失控试验方法解决上述问题。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种电池系统热失控试验装置，该装置能够精确测定电芯热失控时的气体流场信息，安全可靠，成本低，利于辅助设计高能气体泄放试验。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种电池系统热失控试验装置，包括：

箱体，箱体设置有密闭的空腔；

流场信息采集单元，流场信息采集单元设置在空腔内部；

示踪气体控制单元，示踪气体控制单元设置在箱体的进气管道上，进气管道与空腔相连通用于向空腔通入示踪气体。

可选地，还包括泄放装置，泄放装置包括引流结构和泄压阀，引流结构选择性与泄压阀连通。

可选地，流场信息采集单元包括浓度传感器和压力传感器。

可选地，示踪气体为氮气、二氧化碳、氧气、氦气、氩气、一氧化碳中的至少一种。

根据本发明的另一个方面，还提供一种电池系统热失控试验方法，该方法节约试验成本、时间和资源，试验结果准确可靠，提升了泄放设计的有效性。

一种电池系统热失控试验方法，包括以下步骤：

获取电芯热失控时的产气参数；

电池系统数学模型设计；

根据数学模型对电池系统进行仿真，求解计算结果；

根据数学模型搭建上述的电池系统热失控试验装置，设置示踪气体进入电池系统热失控试验装置的进气参数，获取示踪气体流场信息；

将仿真结果与试验结果进行对比分析；

对系统电池系统进行优化。

可选地，产气参数的获取采用定容测试法或气体收集法。

可选地，根据数学模型对电池系统进行仿真包括获取流体域模型；对流体域模型进行网格划分；设置物理场及边界条件；求解并提取流场信息。

可选地，进气参数为电芯热失控时的产气参数。

可选地，电芯热失控时的产气参数包括产气速率、平均摩尔质量、平均气体密度和动力粘度。

可选地，电池系统热失控试验装置的信息采集单元的采样间隔小于0.1s。

有益效果：

本发明所提供的电池系统热失控试验装置，通过设置示踪气体控制单元，控制气体进入箱体的参数，并在箱体内设置流场信息采集单元采集流场信息，监测箱体内气体的分布和运动。该装置能够在动力电池系统开发阶段，准确模拟电芯热失控后电池内部高能气体的分布情况，并结合试验和仿真结果优化电池系统，提高了泄放设计的有效性；该试验装置结构简单，操作方便，成本较低，显著缩短了试验时间。

本发明所提供的电池系统热失控试验方法，首先获取电芯热失控时的产气参数，进行系统数学模型设计，然后依据该数学模型进行仿真并搭建电池系统热失控试验装置进行试验，通过将仿真结果和试验结果进行对比，进而对电池系统进行优化。该方法在动力电池系统开发阶段模拟发生热失控时内部高能气体的分布，将试验结果和仿真结果进行对比分析，再校正数学模型，从而对电池系统进行优化，提升泄放设计的有效性。

附图说明

图1是本发明提供的电池系统热失控试验装置的结构示意图；

图2是本发明提供的电池系统热失控试验方法的流程图。

图中：

100、箱体；200、示踪气体控制单元；300、引流结构；400、流场信息采集单元；500、泄压阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

当锂电池内部的产热效率大于散热效率，电池内部积累大量的热量，容易造成电池的热失控，引发单体电池失火或爆炸。单体电池的热失控又会扩散到整个电池系统，造成整个电池系统甚至整个设备的失火或爆炸事故。锂电芯热失控可以分为诱因触发、相邻扩展、失控蔓延三个主要过程。在发生热失控时，释放的复合气体主要包括二氧化碳、一氧化碳、电解液蒸汽、氢气、乙烯、甲烷、丙烷等，复合气体的组分因电芯材料体系、芯片体系的不同而有所差异。电池系统热失控发生时，这些气体的温度往往可以超过1000℃，高能气体接触空气后极易被点燃，因此，必须采用合理的气体泄放措施及时将这些高能气体导出到系统外部。现有技术中，通常采用CFD模拟气体在系统内的浓度分布、停留时间、流速等气体信息以及对内部部件的侵害，从而辅助设计有效的气体泄放方案。泄放方案的设计效果的验证通常需要对大量的试制样件进行热失控试验，现有的热失控试验方案为：在电池包内部设置安装位，获取电芯热失控时的目标压强值，对安装位进行填充，对电池包内部进行充气，当电池包内部的压强达到目标压强值时，根据电池包壳体的状态判断电池包是否满足热失控要求。该方法通过电池包壳体状态判断是否满足热失控要求，无法准确获得热失控时电池内部高能气体的分布情况，不能对泄放系统的设计起到有效的指导作用。

本实施例提供了一种电池系统热失控试验装置，该试验装置包括内部设有密闭空腔的箱体100，空腔内设置有流场信息采集单元400，箱体100外部设置有示踪气体控制单元200，示踪气体控制单元200设置在箱体100的进气管道上，示踪气体通过进气管道进入箱体100的空腔内。

通过设置示踪气体控制单元200，控制气体进入箱体100的参数，并在箱体100内设置流场信息采集单元400采集流场信息，监测箱体100内气体的分布和运动。该装置能够在动力电池系统开发阶段，准确模拟电芯热失控后电池内部高能气体的分布情况，并结合试验和仿真结果优化电池系统，提高了泄放设计的有效性；该试验装置结构简单，操作方便，成本较低，显著缩短了试验时间。

参见图1，电芯热失控试验装置的箱体100可以为嵌套式密封结构，或上下扣合式密封结构，或其他形式的密封结构，其内部可用体积根据所构建的电池系统数学模型进行设计。示踪气体控制单元200连接在箱体100外部，其作用是控制气体进入箱体100的参数。示踪气体根据电芯的特性进行选择，具体地，可以为氮气、二氧化碳、氧气、氦气、氩气、一氧化碳中的至少一种。

由于试验装置要模拟电芯热失控时，电池内部高能气体的分布情况，因此，气体进入箱体100的参数应当按照电芯热失控时的产气参数设置。高能气体进入箱体100后在箱体100内部扩散，流场信息采集单元400获取气体的分布、停留时间、流动速度等参数，进而对内部部件的侵害程度进行分析。在本实施例中，流场信息采集单元400包括压力传感器和浓度传感器等，压力传感器和浓度传感器的数量均为多个，多个传感器呈矩形阵列均匀分布在箱体100内部，从而保证采集到的流体信息数据的可靠性和准确度。在其他实施例中，流场信息采集单元400可以是其他能够采集所需流场信息的元件，元件的数量和布局根据需要进行设置，在此不做详细说明。

继续参见图1，该电芯热失控实验装置还包括用于延缓电池内部热失控气体扩散的泄放装置，泄放装置包括引流结构300和泄压阀500，引流结构300与泄压阀500选择性连通。具体而言，引流结构300可以为箱体100内间隙或利用梁形成的气体导向流道，泄压阀500为单向阀，当释放的高能气体达到一定压力时，泄压阀500和引流结构300连通，从而引导气体进行扩散。可以理解地，引流结构300和泄压阀500的具体布局形式及泄压阀500的压力阈值需根据电池系统的数学模型进行设计。

本实施例还提供了一种电池系统热失控试验方法，该方法的流程如图2所示，主要包括以下步骤：获取电芯热失控时的产气参数；电池系统数学模型设计；根据数学模型对所述电池系统进行仿真，求解计算结果；根据所述数学模型搭建上述电池系统热失控试验装置，设置示踪气体进入所述电池系统热失控试验装置的进气参数，获取示踪气体流场信息；将仿真结果与试验结果进行对比分析；对系电池系统进行优化。

该方法通过获取电芯热失控时的产气参数，进行系统数学模型设计，然后依据该数学模型进行仿真并搭建电池系统热失控试验装置进行试验，通过将仿真结果和试验结果进行对比，进而对电池系统进行优化。该方法在动力电池系统开发阶段模拟发生热失控时内部高能气体的分布，将试验结果和仿真结果进行对比分析，再校正数学模型，从而对电池系统进行优化，提升泄放设计的有效性。

具体而言，获取电芯热失控时的产气参数的方法可采用定容测试法和气体收集法，产气参数包括实时产气速率V、平均摩尔质量M、平均气体密度ρ、动力粘度υ及必要的气体参数。可以理解地，数学模型的建立应以动力电池系统安全规范及气体泄放设计要求为基础。

进一步地，在数学模型的基础上对电池系统热失控的流场信息进行数值仿真，仿真主要包括：对系统的结构进行合理简化，建立流体域模型；对流体域进行合理的网格划分，保证网格质量符合精度要求；设置湍流模型、物质运输模型、能量方程等必要的物理场及边界条件；选取瞬态求解器进行求解，设置合适的时间步以保证计算结果收敛，计算完成后，提取目标点、截面和流域必要的流场信息，包括浓度、流速等。

在试验部分，首先搭建上述的电池系统热失控试验装置，试验装置箱体100内部可用体积以及泄放结构的布局均依据电池系统的数学模型进行设计，试验装置中的电芯可采用同尺寸的假体代替，以避免大量试验件的浪费。示踪气体控制单元200依据前述获得的电芯热失控时的产气参数设置示踪气体的进气参数。可选地，进气参数具体包括：产气速率、平均摩尔质量、平均气体密度和动力粘度等。记录压力传感器和浓度传感器所获取的气体分布、停留时间、流动速度等参数，并对内部部件所受侵害程度进行分析。可选地，传感器数据实时上传至后台，为保证结果的准确性，采样间隔设置小于0.1s，在其他实施例中，可以依据具体的装置及试验情况进行设置。

将仿真得到的计算结果和试验中流场信息采集单元400所获取的试验结果进行对比分析，再校正数学模型，从而对电池系统进行优化，以达到更佳的泄放设计方案。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电池系统热失控试验装置，其特征在于，包括：

箱体，所述箱体设置有密闭的空腔；

流场信息采集单元，所述流场信息采集单元设置在所述空腔内部；

示踪气体控制单元，所述示踪气体控制单元设置在所述箱体的进气管道上，所述进气管道与所述空腔相连通用于向所述空腔通入示踪气体。

2.根据权利要求1所述的一种电池系统热失控试验装置，其特征在于，还包括泄放装置，所述泄放装置包括引流结构和泄压阀，所述引流结构选择性地与所述泄压阀连通。

3.根据权利要求1所述的一种电池系统热失控试验装置，其特征在于，所述流场信息采集单元包括浓度传感器和压力传感器。

4.根据权利要求1所述的一种电池系统热失控试验装置，其特征在于，所述示踪气体为氮气、二氧化碳、氧气、氦气、氩气、一氧化碳中的至少一种。

5.一种电池系统热失控试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取电芯热失控时的产气参数；

设计电池系统的数学模型；

根据所述数学模型对所述电池系统进行仿真，求解计算结果；

根据所述数学模型搭建如权利要求1-4任一项所述的电池系统热失控试验装置；

设置示踪气体进入所述电池系统热失控试验装置的进气参数，试验获取示踪气体流场信息；

将仿真结果与试验结果进行对比分析；

对所述数学模型进行优化。

6.根据权利要求5所述的一种电池系统热失控试验方法，其特征在于，采用定容测试法或气体收集法获取电芯热失控时的所述产气参数。

7.根据权利要求5所述的一种电池系统热失控试验方法，其特征在于，根据所述数学模型对所述电池系统进行仿真包括：

获取流体域模型；

对所述流体域模型进行网格划分；

设置物理场及边界条件；

求解并提取流场信息。

8.根据权利要求5所述的一种电池系统热失控试验方法，其特征在于，所述进气参数按照电芯热失控时的所述产气参数进行设置。

9.根据权利要求5所述的一种电池系统热失控试验方法，其特征在于，电芯热失控时的所述产气参数包括产气速率、平均摩尔质量、平均气体密度和动力粘度。

10.根据权利要求5所述的一种电池系统热失控试验方法，其特征在于，所述电池系统热失控试验装置的流体信息采集单元的采样间隔小于0.1s。

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