CN114046908A - 一种实时测量锂电池热失控放热量的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种实时测量锂电池热失控放热量的方法及其装置，该方法包括：将样品锂电池放置于燃烧弹的防护笼中，并按设定的加热功率对样品锂电池进行加热；根据样品锂电池的温升及质量变化，计算电池内能增量；根据设定的加热功率和加热时长，计算弹内加热器发热量；根据燃烧弹的弹体表观温升，计算燃烧弹的内部吸收能量；根据当前燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度及加热时长，计算燃烧弹的壁面与环境对流的散热量；根据燃烧弹的弹内气压值变化，计算弹内气体内能增量；根据电池内能增量、燃烧弹的内部吸收能量、燃烧弹的壁面与环境对流的散热量、弹内气体内能增量以及弹内加热器发热量，基于热力学第一定律计算样品锂电池的放热量。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，具体而言，涉及一种实时测量锂电池热失控放热量的方法及其装置。
背景技术
对于动力锂电池来说，在各种诱因下发生的热失控分为两种形式，一种为电池局部过热发生热失控并蔓延到其他区域进而诱发电池整体的热失控，另一种为电池环境温度过高，均匀加热动力锂电池诱发全面热失控。其中，局部热失控对应的事件场景主要有电池穿刺、机械挤压、内短路、相邻电池发生热失控，由于对流、热传导或火焰等造成的局部热失控；电池全面热失控对应的场景主要有电池过充、过放、电池热管理系统失效、电池模组发生大规模燃烧等。这两种形式的热失控事故几乎涵盖了动力锂电池热失控燃烧、爆炸的所有实际场景。
动力锂电池着火事故，一般会经历电池在各种诱因下温度升高、自加热、泄气、热失控、燃烧(爆炸)等几个阶段，对锂电池的燃烧事故进行研究，需要重点关注泄气、着火、燃烧等行为分析。目前，用于锂电池的燃烧事故分析的实验仪器设备主要有加速量热仪(Accelerating Rate Calorimetry，ARC)、绝热反应热能量测定仪(Vent Sizing Package2，VSP2)、差示扫描量热仪(Differential Scanning Calorimetry，DSC)、锥形量热仪、ISO9705标准火灾测试间等，虽然在动力锂电池火灾研究中的实验仪器设备较多，但现有的设备均存在热失控触发手段与动力锂电池实际着火过程相差较大、不能准确对动力锂电池热失控及燃烧过程的放热量、放热速率进行测量的缺点，此外，绝热反应热能量测定仪、差示扫描量热仪还存在样品池空间容积较小的缺点，难以将动力锂电池模组放进样品池，甚至难以将电池单体放进样品池。
发明内容
本说明书提供一种实时测量锂电池热失控放热量的方法及其装置，用以克服现有技术中存在的至少一个技术问题。
根据本说明书实施例，提供了一种实时测量锂电池热失控放热量的方法，包括：
将样品锂电池放置于燃烧弹的防护笼中，并按设定的加热功率对所述样品锂电池进行加热；
获取所述样品锂电池的定压比热容；
测量并记录所述样品锂电池的初始温度、初始质量以及当前所述样品锂电池的时刻温度、时刻质量；
根据所述样品锂电池的初始温度、初始质量、时刻温度、时刻质量，计算出所述样品锂电池的电池内能增量，计算公式如下：
ΔUb＝cp,b(mb1Tb1-mb0Tb0)
其中，ΔUb为电池内能增量，cp,b为样品锂电池的定压比热容，mb0为样品锂电池的初始质量，mb1为样品锂电池的时刻质量，Tb0为样品锂电池的初始温度，Tb1为样品锂电池的时刻温度；
根据设定的加热功率和加热时长，计算弹内加热器发热量；
根据所述燃烧弹的弹体表观温升，计算所述燃烧弹的内部吸收能量；
根据当前所述燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度及加热时长，计算所述燃烧弹的壁面与环境对流的散热量；
根据所述燃烧弹的弹内气压值变化，计算弹内气体内能增量；
根据所述电池内能增量、燃烧弹的内部吸收能量、燃烧弹的壁面与环境对流的散热量、弹内气体内能增量以及所述弹内加热器发热量，基于热力学第一定律计算所述样品锂电池的放热量。
可选地，所述根据设定的加热功率和加热时长，计算弹内加热器发热量包括：
获取所述燃烧弹内的弹内加热器的加热功率及加热时长；
根据所述弹内加热器的加热功率、加热时长，计算出所述弹内加热器发热量，计算公式如下：
Qheat＝Pheat×t
其中，Qheat为弹内加热器发热量，Pheat为弹内加热器的加热功率，t为加热时长。
可选地，所述根据所述燃烧弹的弹体表观温升，计算所述燃烧弹的内部吸收能量包括：
获取所述燃烧弹的弹体材料质量及弹体材料定压比热容；
测量并记录所述燃烧弹的初始弹体表观温度以及当前所述燃烧弹的时刻弹体表观温度；
根据所述燃烧弹的初始弹体表观温度、时刻弹体表观温度，计算出所述燃烧弹的内部吸收能量，计算公式如下：
ΔUwall＝cp,w×mw×(Tw1-Tw0)
其中，ΔUwall为燃烧弹的内部吸收能量，cp,w为燃烧弹的弹体材料定压比热容，mw为燃烧弹的弹体材料质量，Tw0为燃烧弹的初始弹体表观温度，Tw1为当前燃烧弹的时刻弹体表观温度。
可选地，所述根据当前所述燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度及加热时长，计算所述燃烧弹的壁面与环境对流的散热量包括：
按预设的加热功率对未设置锂电池的封闭的所述燃烧弹进行加热，直至所述燃烧弹的壁面平均温度变化小于预设温度变化值，记录当前所述燃烧弹的壁面稳定温度和环境温度；
改变加热功率，重复上述过程若干次，获得所述燃烧弹在不同加热功率下的壁面稳定温度和环境温度；
基于所述燃烧弹在不同加热功率下的壁面稳定温度和环境温度，对所述燃烧弹内的加热功率与壁面稳定温度关系函数进行拟合，获得所述燃烧弹的散热系数；所述燃烧弹内的加热功率与壁面稳定温度关系函数如下：
Pheat＝hf×Ab×(Tw-Tamb)
其中，Pheat为弹内加热器的加热功率，hf为燃烧弹的散热系数，Ab为燃烧弹的散热面积，Tw为燃烧弹的壁面稳定温度，Tamb为燃烧弹的环境温度；
测量并记录当前所述燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度及加热时长；
利用所述燃烧弹的散热系数以及当前所述燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度、加热时长计算出所述燃烧弹的壁面与环境对流的散热量，计算公式如下：
Qwall＝hf×Ab×(Tw1-Tamb)×t
其中，Qwall为燃烧弹的壁面与环境对流的散热量，hf为散热系数，Ab为燃烧弹的散热面积，Tw1为当前燃烧弹的时刻弹体表观温度，Tamb为当前燃烧弹的环境温度，t为燃烧弹的加热时长。
可选地，所述根据所述燃烧弹的弹内气压值变化，计算弹内气体内能增量包括：
获取所述燃烧弹内的各气体定容比热容随温度的变化趋势图，拟合得到所述燃烧弹内的各气体定容比热容与温度的关系函数；
根据所述燃烧弹内的各气体定容比热容与温度的关系函数，计算初始时刻所述燃烧弹内的各气体定容比热容和当前时刻所述燃烧弹内的各气体定容比热容；
测量并记录所述燃烧弹的初始弹内气压值和当前所述燃烧弹的时刻弹内气压值，通过所述燃烧弹的弹内气压值计算出所述燃烧弹内的各气体分压，计算公式如下：
P0＝ci0×Pi0
其中，P0为燃烧弹的初始弹内气压值，ci0为初始时刻第i种气体的体积浓度，Pi0为初始时刻第i种气体的分压；
P1＝ci1×Pi1
其中，P1为当前燃烧弹的时刻弹内气压值，ci1为当前时刻第i种气体的体积浓度，Pi1为当前时刻第i种气体的分压；
通过所述燃烧弹内的各气体定容比热容计算出各气体的内能，计算公式如下：
其中，Ui0为初始时刻第i种气体的内能，cvi0为初始时刻第i种气体的定容比热容，Pi0为初始时刻第i种气体的分压，V为燃烧弹的容积，Mi为第i种气体的摩尔分子量，R为理想气体常数；
其中，Ui1为当前时刻第i种气体的内能，cvi1为当前时刻第i种气体的定容比热容，Pi1为当前时刻第i种气体的分压，V为燃烧弹的容积，Mi为第i种气体的摩尔分子量，R为理想气体常数；
通过燃烧弹内的各气体的内能增量计算出所述燃烧弹的弹内气体内能增量，计算公式如下：
ΔUair＝∑Ui1-∑Ui0
其中，ΔUair为燃烧弹的弹内气体内能增量，Ui0为初始时刻第i种气体的内能，Ui1为当前时刻第i种气体的内能。
根据本说明书实施例，还提供了一种实时测量锂电池热失控放热量的装置，包括：
燃烧弹，所述燃烧弹上开设有进气孔和排气孔；
电子秤，所述电子秤设置于所述燃烧弹内，用于测量所述燃烧弹内的样品锂电池的质量；
防护笼，所述防护笼设置于所述电子秤的秤盘上；
锂电池热失控触发装置，所述锂电池热失控触发装置设置于所述防护笼内，用于加热所述样品锂电池；
温度传感器，所述燃烧弹的壁面及内部均设置有所述温度传感器；
压力传感器，设置于所述燃烧弹上，用于测量所述燃烧弹的弹内气压值。
可选地，还包括观察目镜，所述燃烧弹上设置有一个或多个所述观察目镜。
可选地，还包括冷却箱和冷却液流管；所述冷却箱设置于所述燃烧弹内，所述电子秤容置于所述冷却箱内，且所述电子秤的支杆穿设所述冷却箱与所述电子秤的秤盘相连；所述冷却箱内设置有多个所述冷却液流管。
可选地，还包括限压阀，所述燃烧弹上设置有所述限压阀。
本说明书实施例的有益效果如下：
可以实现多种边界条件下，诱发动力锂电池局部热失控或均匀总体热失控，并实时多点测量样品锂电池的表面温度、定容燃烧弹内的温度场、压力场、气体组分等，还可实现着火燃烧过程的高速摄像，据此可准确揭示动力锂电池泄气及燃烧过程。
本说明书实施例的创新点包括：
1、本实施例中，该装置设置有多个温度传感器、压力传感器，且设置有电子秤，测量量更全面准确，不仅能够测量锂电池热失控过程与边界不发生物质交换的情况，而且可以测量锂电池热失控开裂、破壳等情况与环境边界发生物质传递、发生燃烧化学反应等极端恶劣的情况，是本说明书实施例的创新点之一。
2、本实施例中，采用定容的燃烧弹作为实验场地，可将定容设计作为量热原理，结合所测量的数据，可实时计算锂电池的放热量，进而可计算锂电池的放热速率，使对锂电池燃烧事故的实验分析更清楚，是本说明书实施例的创新点之一。
3、本实施例中，在燃烧弹上开设进气孔和排气孔，可向燃烧弹内通入已知组分的气体，并可根据实际情况进行更换，由已知组分浓度的气体或实际场景中的气体进行实验，测量数据更精准，更接近实际情况，是本说明书实施例的创新点之一。
4、本实施例中，在燃烧弹内设置加热装置，可人为诱发动力锂电池热失控，按照实验需求灵活的采用满足研究需求或实际的加热功率对锂电池加热，使得实验场景更接近锂电池应用的实际情况，进而所测量的放热量更接近工程需求，是本说明书实施例的创新点之一。
5、本实施例中，在锂电池外部设置防护笼，可有效防止由于电池泄气及燃烧过程中向电池外部环境喷射电池内部物质而污染甚至损害弹内测量设备的情况发生，保证了燃烧弹内测量设备安全的使用环境，避免了弹内测量设备不必要的损害，是本说明书实施例的创新点之一。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本说明书一实施例提供的实时测量锂电池热失控放热量的方法的流程示意图；
图2为本说明书一实施例提供的实时测量锂电池热失控放热量的装置的结构示意图；
图3为本说明书另一实施例提供的实时测量锂电池热失控放热量的装置的结构示意图；
附图标记说明：1为燃烧弹、2为进气孔、3为排气孔、4为电子秤、5为防护笼、6为秤盘、7为锂电池热失控触发装置、8为样品锂电池、9为温度传感器、10为压力传感器、11为观察目镜、12为冷却箱、13为支杆、14为冷却液流管、15为限压阀、16为传感器接线端、17为燃烧弹支架。
具体实施方式
下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本说明书实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本说明书实施例公开了一种实时测量锂电池热失控放热量的装置，以解决现有技术中热失控触发手段与动力锂电池实际着火过程相差较大、不能准确对动力锂电池热失控及燃烧过程的放热量、放热速率进行测量的问题。以下分别进行详细说明。
图2示出了根据本说明书一实施例提供的一种实时测量锂电池热失控放热量的装置。如图2所示，该实时测量锂电池热失控放热量的装置包括：燃烧弹1、电子秤4、防护笼5、锂电池热失控触发装置7、温度传感器9、压力传感器10、观察目镜11、冷却装置以及限压阀15。
其中，燃烧弹1作为动力锂电池的燃烧事故分析的实验仪器主体，为锂电池提供燃烧场所。本说明书实施例中，该装置采用由燃烧弹支架17支撑、体积较大的燃烧弹1，有效解决了现有技术中某些设备由于容积较小而难以将锂电池模组甚至单体放入样品池的问题，适用于不同体积大小、各种类型的锂电池，适用范围广，且容积固定的燃烧弹1有利于对动力锂电池热失控及燃烧过程的放热量、放热速率进行分析。在本说明书中，动力锂电池也称为锂电池、样品锂电池。
在一个具体的实施例中，燃烧弹1上开设有进气孔2和排气孔3，通过进气孔2可向燃烧弹1内充入有利于锂电池燃烧的气体，例如空气，一方面，可有助于锂电池的燃烧，保证实验的顺利进行，并可对实验过程中以及结束后的弹内气体进行采样，以便测量气体成分，另一方面，充入各气体体积浓度已知的混合气体，有利于计算锂电池热失控及燃烧过程的放热量、放热速率，实现对锂电池的燃烧事故的全面准确分析。
在现有技术中，对锂电池燃烧事故实时研究的方法大多将锂电池的质量设定为定值，如此假设，虽然简化了测量、计算过程，但由于在燃烧过程中锂电池的质量可能会发生变化，导致测量不全面，研究数据不严谨。
基于此，该装置在燃烧弹1内设置有电子秤4，将用于实验的样品锂电池8放置于电子秤4的秤盘6上，可实时测量燃烧弹1内燃烧的样品锂电池8的质量，从而有利于测量锂电池燃烧过程中的实时质量，测量更全面准确，不仅可以测量锂电池热失控过程与环境边界不发生物质交换的情况，而且可以测量锂电池热失控开裂、破壳等情况下与环境边界发生物质传递、发生燃烧化学反应等极端恶劣的情况，可适用于锂电池燃烧的各种情况，测量更全面精准，更有利于锂电池燃烧过程的研究。在一个具体的实施例中，该装置所采用的电子秤4为高精度电子秤，提高锂电池质量的测量精度及实验结果的准确性。
另外，由于样品锂电池8在泄气及燃烧过程中会向电池外部环境喷射电池内部物质，所喷射的电池内部物质可能会污染并损害燃烧弹1内的测量设备，为保护燃烧弹1内的测量设备不被污染损害，该装置在电子秤4的秤盘6上设置有防护笼5，将所研究的样品锂电池8放置在防护笼5，可有效防止由于电池泄气及燃烧过程中向电池外部环境喷射电池内部物质而污染甚至损害弹内测量设备的情况发生，保证了燃烧弹1内测量设备安全的使用环境，避免了弹内测量设备不必要的损害。
在本说明书实施例中，该装置在防护笼5内设置有锂电池热失控触发装置7，利用锂电池热失控触发装置7加热燃烧弹1内的样品锂电池8，从而实现人为诱发动力锂电池热失控，可按照实验需求灵活的采用满足研究需求或实际的加热功率对样品锂电池8加热，使得实验场景更接近锂电池应用的实际情况，进而所测量的放热量更接近工程需求。在一个具体的实施例中，锂电池热失控触发装置7为加热器，以提高锂电池的温度。在本说明书实施例中，锂电池热失控触发装置7也称为弹内加热器。
在一个具体的实施例中，该装置的其他测量设备包括但不限于温度传感器9、压力传感器10。其中，燃烧弹1的壁面及内部均设置有温度传感器9，具体的，燃烧弹1的壁面各处设置有多个温度传感器9，用于实时测量燃烧弹1的弹体表观温度及环境温度，燃烧弹1的内部设置有一个或多个温度传感器9，其内部的温度传感器9设置在样品锂电池8的外表面上，用于测量样品锂电池8的温度。设置于燃烧弹1上设置一个或多个压力传感器10，用于测量燃烧弹1的内部压力，以获取燃烧弹1的弹内气压值。
进一步，为保证装置的安全性，在燃烧弹1上设置有限压阀15。当燃烧弹1内气体压力超过一定阈值时，限压阀15自动开启泄压，以防止发生安全事故，提高装置整体的安全性，确保实验的安全进行。
同时，该实时测量锂电池热失控放热量的装置还设置有观察目镜11，在燃烧弹1上设置有一个或多个观察目镜11，便于观察实验过程及着火燃烧过程的高速摄像。在具体的实施过程中，燃烧弹1设置3个观察目镜11，以实现全面各角度观察，且观察目镜11可以作为观察窗口、外置照射光源窗口、摄像窗口等，易于从样品锂电池8的各角度观察实验过程，并实现样品锂电池8着火燃烧过程的高速摄像。
在本说明书实施例中，由于锂电池燃烧过程中燃烧弹1内温度较高，为保证燃烧弹1内的设备能够正常稳定运行，该装置在燃烧弹1内设置有冷却装置，以将需要冷却处理的设备容置在冷却装置内，为其提供温度较低的作业环境，确保测量数据的精准性。具体的，该冷却装置包括冷却箱12和冷却液流管14，冷却箱12设置于燃烧弹1内，其中，电子秤4容置于冷却箱12内，且电子秤4的支杆13穿设冷却箱12与电子秤4的秤盘6相连，也就是说，将电子秤4的主体部分设置在冷却箱12内，利用在冷却箱12外的电子秤4支杆13、秤盘6对样品锂电池8进行实时称重，此外，传感器接线端16容置于冷却箱12中，并采用耐高温的测量设备，以保证实验数据的精准性。为实现冷却箱12内较低温度，冷却箱12内设置有多个冷却液流管14，通过冷却液在冷却液流管14中流通带走热量，从而降低冷却箱12内部温度。
在一个具体的实施例中，如图2所示，冷却箱12内的冷却液流管14分布于电子秤4的主体部分上，主要起到保护电子秤4的作用，确保样品锂电池8质量测量的精准性。
在另一个具体的实施例中，如图3所示，冷却箱12内的冷却液流管14分布于冷却箱12的内侧表面上，以确保冷却箱12的内部温度较低。
以上是对本实施例提供的实时测量锂电池热失控放热量的装置的各个部件、它们之间的连接关系进行了介绍，下面结合图2–图3，对实时测量锂电池热失控放热量的装置的工作原理进行详述。
在本说明书实施例中，当进行锂电池燃烧事故分析的实验时，将样品锂电池8放置在燃烧弹1内，并置于位于电子秤4秤盘6上防护笼5内的锂电池热失控触发装置7上，根据所模拟的实验场景设定锂电池热失控触发装置7的加热功率，通过锂电池热失控触发装置7人为诱发样品锂电池8热失控。在实验过程中，可采用观察目镜11观察燃烧弹1内样品锂电池8的燃烧过程、外置照射光源、摄像等，采用温度传感器9实时测量样品锂电池8表面温度以及燃烧弹1的弹体表观温度及、环境温度，采用压力传感器10实时测量燃烧弹1的弹内气体压力，并通过电子秤4实时测量并记录样品锂电池8在燃烧弹1内泄气、燃烧过程中的质量，进而可实时利用所采集的相关数据计算出样品锂电池8热失控的放热量。
为保证电子秤4等设备不受燃烧弹1内部温度的影响，将所需保护的设备容置于冷却箱12内，通过外部控制冷却液在冷却液流管14内流动，以带走热量，保证电子秤4等设备处于良好的工作状态。同时，实验过程中样品锂电池8设置在防护笼5内，防止样品锂电池8在泄气及燃烧过程中向外部喷射电池内部物质污染、损害燃烧弹1的内部设备。此外，当燃烧弹1内气体压力超过一定阈值时，限压阀15自动开启泄压，防止出现安全事故，并可以通过燃烧弹1上的进气孔2和排气孔3对实验过程中以及结束后的弹内气体进行采样，以便测量气体成分。
综上所述，本说明书公开一种实时测量锂电池热失控放热量的装置，可以实现多种边界条件下，诱发动力锂电池局部热失控或均匀总体热失控，并实时多点测量样品锂电池的表面温度、定容燃烧弹内的温度场、压力场、气体组分等，还可实现着火燃烧过程的高速摄像，据此可准确揭示动力锂电池泄气及燃烧过程。
本说明书实施例还公开了一种实时测量锂电池热失控放热量的方法。图1示出了根据本说明书实施例提供的一种实时测量锂电池热失控放热量的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤100，将样品锂电池放置于燃烧弹的防护笼中，并按设定的加热功率对样品锂电池进行加热。
在一个具体的实施例中，将用于实验的样品锂电池放置到燃烧弹的防护笼中，以避免样品锂电池在泄气及燃烧过程中向外部喷射电池内部物质污染、损害燃烧弹内的设备。根据实验需求灵活的采用满足研究需求或实际设定弹内加热器(即锂电池热失控触发装置)的加热功率，以所设定的加热功率对样品锂电池进行加热，使实验中样品锂电池更接近锂电池实际着火过程，从而可以克服现有技术所应用的绝热量热的基本原理，对锂电池热失控过程的温度不做限制，按照实验需求对样品锂电池进行加热，使得实验场景更接近实际情况，测量的放热量更接近工程需求。
步骤200，根据样品锂电池的温升及质量变化，计算电池内能增量。
具体的，获取实验时所使用的样品锂电池已知的定压比热容；利用设置在样品锂电池表面的温度传感器实时测量样品锂电池的温度，获取所记录的样品锂电池的初始温度和当前的时刻温度；利用设置在燃烧弹内的电子秤实时测量样品锂电池的质量，获取所记录的样品锂电池的初始质量和当前的时刻质量。其中，初始温度、初始质量为初始时刻所测量的样品锂电池的温度、质量，可以为样品锂电池加热前的温度、质量，也可以为样品锂电池加热开始后某一时刻的温度、质量，而当前的时刻温度、时刻质量为当前时刻所测量的样品锂电池的温度、质量，为记录初始温度、初始质量时刻之后的某一时刻，包括但不限于燃烧弹的壁面温度稳定后的某一时刻。
根据所获取得到的样品锂电池的定压比热容、初始温度、初始质量以及当前的时刻温度、时刻质量，计算出样品锂电池的电池内能增量。具体的计算公式如下：
ΔUb＝cp,b(mb1Tb1-mb0Tb0)
其中，ΔUb为电池内能增量，cp,b为样品锂电池的定压比热容，mb0为样品锂电池的初始质量，mb1为样品锂电池的时刻质量，Tb0为样品锂电池的初始温度，Tb1为样品锂电池的时刻温度。
步骤300，根据设定的加热功率和加热时长，计算弹内加热器发热量。
具体的，获取步骤100中所设定的弹内加热器的加热功率，并由初始时刻和当前时刻计算出该加热过程的加热时长。
根据弹内加热器的加热功率、加热时长，计算出弹内加热器发热量。具体的计算公式如下：
Qheat＝Pheat×t
其中，Qheat为弹内加热器发热量，Pheat为弹内加热器的加热功率，t为加热时长。
步骤400，根据燃烧弹的弹体表观温升，计算燃烧弹的内部吸收能量。
具体的，获取实验所使用的燃烧弹已知的弹体材料质量及弹体材料定压比热容；利用设置在燃烧弹的壁面各处的温度传感器实时测量燃烧弹的弹体表观温度，获取所记录初始时刻燃烧弹的初始弹体表观温度以及当前时刻燃烧弹的时刻弹体表观温度，进而计算出该加热时段内燃烧弹的弹体表观温升。
利用该加热时段内燃烧弹的弹体表观温升及燃烧弹的弹体材料质量、弹体材料定压比热容，计算燃烧弹的内部吸收能量。具体的计算公式如下：
ΔUwall＝cp,w×mw×(Tw1-Tw0)
其中，ΔUwall为燃烧弹的内部吸收能量，cp,w为燃烧弹的弹体材料定压比热容，mw为燃烧弹的弹体材料质量，Tw0为燃烧弹的初始弹体表观温度，Tw1为当前燃烧弹的时刻弹体表观温度。
步骤500，根据当前燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度及加热时长，计算燃烧弹的壁面与环境对流的散热量。
具体的，为提高实验数据的精确度，需在实验开始之前，利用该套实验装置对装置中的燃烧弹的散热系数进行实验标定。燃烧弹的散热系数的实验标定方法包括以下步骤：
清洁燃烧弹内部，布置温度传感器、压力传感器，并做好密封措施；
关闭燃烧弹上的进气孔、排气孔；
选择一个加热功率为预设的加热功率，按预设的加热功率对未设置锂电池的封闭的燃烧弹进行加热，直至燃烧弹的壁面平均温度变化小于预设温度变化值，记录当前燃烧弹的壁面稳定温度和环境温度；其中，预设温度变化值为0.02℃/min；
改变加热功率，再按改变后的加热功率对未设置锂电池的封闭的燃烧弹进行加热，直至燃烧弹的壁面平均温度变化小于预设温度变化值，并记录该加热功率下燃烧弹的壁面稳定温度和环境温度；
重复上述过程若干次，获得燃烧弹在不同加热功率下的壁面稳定温度和环境温度；其中，在较大范围内变化燃烧弹的加热功率，以尽可能保证拟合后的散热系数的准确性；
根据上述所获得的燃烧弹在不同加热功率下的壁面稳定温度和环境温度，对燃烧弹内的加热功率与壁面稳定温度关系函数进行拟合，获得燃烧弹的散热系数。
其中，当燃烧弹的壁面平均温度变化小于0.02℃/min，可以近似认为加热功率与散热功率基本相当，即Pheat＝Pr，则可获得燃烧弹内的加热功率与壁面稳定温度关系函数如下：
Pheat＝Pr＝hf×Ab×(Tw-Tamb)
其中，Pheat为弹内加热器的加热功率，Pr为燃烧弹的散热功率，hf为燃烧弹的散热系数，Ab为燃烧弹的散热面积，Tw为燃烧弹的壁面稳定温度，Tamb为燃烧弹的环境温度。
由上述步骤，即可获得该实验装置中所采用的燃烧弹的散热系数。
利用设置在燃烧弹的壁面各处的温度传感器实时测量燃烧弹的弹体表观温度及燃烧弹外部环境的环境温度，获取所记录当前时刻燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度；并根据初始时刻、当前时刻计算出该加热阶段的加热时长。
根据上述所获得的燃烧弹的散热系数、当前时刻燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度以及加热时长，计算出燃烧弹的壁面与环境对流的散热量。具体的计算公式如下：
Qwall＝hf×Ab×(Tw1-Tamb)×t
其中，Qwall为燃烧弹的壁面与环境对流的散热量，hf为散热系数，Ab为燃烧弹的散热面积，Tw1为当前燃烧弹的时刻弹体表观温度，Tamb为当前燃烧弹的环境温度，t为燃烧弹的加热时长。
步骤600，根据燃烧弹的弹内气压值变化，计算弹内气体内能增量。
具体的，通过燃烧弹上的进气孔向燃烧弹内部充入组分浓度已知的气体，从而保证准确计算弹内气体内能增量。为保证实验数据的准确性，在实验开始之前，获取实验过程中充入燃烧弹内气体的各组分的定容比热容随温度的变化趋势图，拟合得到燃烧弹内的各气体定容比热容与温度的关系函数，以便于实验过程中通过拟合后的燃烧弹内的各气体定容比热容与温度的关系函数，得到不同温度下的各气体定容比热容。
根据燃烧弹内的各气体定容比热容与温度的关系函数，利用温度传感器实时测量燃烧弹的内部温度，获取所记录的初始时刻的燃烧弹的初始内部温度和当前时刻的燃烧弹的时刻内部温度，将所获得的初始内部温度、时刻内部温度分别代入燃烧弹内的各气体定容比热容与温度的关系函数中，计算得到初始时刻燃烧弹内的各气体定容比热容和当前时刻燃烧弹内的各气体定容比热容。
利用压力传感器实时测量燃烧弹内的气体压力，获取所记录的初始时刻的燃烧弹的初始弹内气压值和当前时刻的燃烧弹的时刻弹内气压值。根据燃烧弹的弹内气压值，即初始弹内气压值和时刻弹内气压值，计算出初始时刻和当前时刻的燃烧弹内的各气体分压，具体的计算公式如下：
P0＝ci0×Pi0
其中，P0为燃烧弹的初始弹内气压值，ci0为初始时刻第i种气体的体积浓度，Pi0为初始时刻第i种气体的分压；
P1＝ci1×Pi1
其中，P1为当前燃烧弹的时刻弹内气压值，ci1为当前时刻第i种气体的体积浓度，Pi1为当前时刻第i种气体的分压。
将初始弹内气压值、时刻弹内气压值代入上述相应的计算公式中，进而算出初始时刻和当前时刻的燃烧弹内的各气体分压。再利用所计算的燃烧弹内的各气体定容比热容计算出各气体的内能，具体的计算公式如下：
其中，Ui0为初始时刻第i种气体的内能，cvi0为初始时刻第i种气体的定容比热容，Pi0为初始时刻第i种气体的分压，V为燃烧弹的容积，Mi为第i种气体的摩尔分子量，R为理想气体常数；
其中，Ui1为当前时刻第i种气体的内能，cvi1为当前时刻第i种气体的定容比热容，Pi1为当前时刻第i种气体的分压，V为燃烧弹的容积，Mi为第i种气体的摩尔分子量，R为理想气体常数。
将初始时刻下燃烧弹内的各气体的内能增量加总，获得初始时刻燃烧弹内气体的初始总内能，同理，将当前时刻下燃烧弹内的各气体的内能增量加总，获得当前时刻燃烧弹内气体的时刻总内能，时刻总内能与初始总内能之差便为燃烧弹的弹内气体内能增量。具体的计算公式如下：
ΔUair＝∑Ui1-∑Ui0
其中，ΔUair为燃烧弹的弹内气体内能增量，Ui0为初始时刻第i种气体的内能，Ui1为当前时刻第i种气体的内能。
步骤700，根据电池内能增量、燃烧弹的内部吸收能量、燃烧弹的壁面与环境对流的散热量、弹内气体内能增量以及弹内加热器发热量，基于热力学第一定律计算样品锂电池的放热量。
根据热力学第一定律，在封闭的燃烧弹内：
Qheat+Qb＝ΔUb+ΔUwall+ΔUair+Qwall
其中，Qheat为燃烧弹的弹内加热器发热量，Qb为样品锂电池的放热量，ΔUb为电池内能增量，ΔUwall为燃烧弹的内部吸收能量，Qwall为燃烧弹的壁面与环境对流的散热量，ΔUair为燃烧弹的弹内气体内能增量。
从而，将上述步骤200–步骤600中所获得的当前所述燃烧弹的弹内加热器发热量、内部吸收能量、壁面与环境对流的散热量、弹内气体内能增量以及当前所述电池内能增量代入上述等式，即可计算出样品锂电池的放热量。
综上所述，本说明书公开一种实时测量锂电池热失控放热量的方法，可实时计算锂电池的放热量，进而可计算锂电池的放热速率，且实验过程中所获得的测量量更全面准确，不仅能够测量锂电池热失控过程与边界不发生物质交换的情况，而且可以测量锂电池热失控开裂、破壳等情况与环境边界发生物质传递、发生燃烧化学反应等极端恶劣的情况。同时，采用定容的燃烧弹作为实验场地，可将定容设计作为量热原理，结合所测量的数据，可实时计算锂电池的放热量，进而可计算锂电池的放热速率，使对锂电池燃烧事故的实验分析更清楚。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
另外，在本发明实施例的描述中，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，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。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种实时测量锂电池热失控放热量的方法，其特征在于，包括：
将样品锂电池放置于燃烧弹的防护笼中，并按设定的加热功率对所述样品锂电池进行加热；
获取所述样品锂电池的定压比热容；
测量并记录所述样品锂电池的初始温度、初始质量以及当前所述样品锂电池的时刻温度、时刻质量；
根据所述样品锂电池的初始温度、初始质量、时刻温度、时刻质量，计算出所述样品锂电池的电池内能增量，计算公式如下：
ΔUb＝cp,b(mb1Tb1-mb0Tb0)
其中，ΔUb为电池内能增量，cp,b为样品锂电池的定压比热容，mb0为样品锂电池的初始质量，mb1为样品锂电池的时刻质量，Tb0为样品锂电池的初始温度，Tb1为样品锂电池的时刻温度；
根据设定的加热功率和加热时长，计算弹内加热器发热量；
根据所述燃烧弹的弹体表观温升，计算所述燃烧弹的内部吸收能量；
根据当前所述燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度及加热时长，计算所述燃烧弹的壁面与环境对流的散热量；
根据所述燃烧弹的弹内气压值变化，计算弹内气体内能增量；
根据所述电池内能增量、燃烧弹的内部吸收能量、燃烧弹的壁面与环境对流的散热量、弹内气体内能增量以及所述弹内加热器发热量，基于热力学第一定律计算所述样品锂电池的放热量。
2.根据权利要求1所述的实时测量锂电池热失控放热量的方法，其特征在于，所述根据设定的加热功率和加热时长，计算弹内加热器发热量包括：
获取所述燃烧弹内的弹内加热器的加热功率及加热时长；
根据所述弹内加热器的加热功率、加热时长，计算出所述弹内加热器发热量，计算公式如下：
Qheat＝Pheat×t
其中，Qheat为弹内加热器发热量，Pheat为弹内加热器的加热功率，t为加热时长。
3.根据权利要求1所述的实时测量锂电池热失控放热量的方法，其特征在于，所述根据所述燃烧弹的弹体表观温升，计算所述燃烧弹的内部吸收能量包括：
获取所述燃烧弹的弹体材料质量及弹体材料定压比热容；
测量并记录所述燃烧弹的初始弹体表观温度以及当前所述燃烧弹的时刻弹体表观温度；
根据所述燃烧弹的初始弹体表观温度、时刻弹体表观温度，计算出所述燃烧弹的内部吸收能量，计算公式如下：
ΔUwall＝cp,w×mw×(Tw1-Tw0)
其中，ΔUwall为燃烧弹的内部吸收能量，cp,w为燃烧弹的弹体材料定压比热容，mw为燃烧弹的弹体材料质量，Tw0为燃烧弹的初始弹体表观温度，Tw1为当前燃烧弹的时刻弹体表观温度。
4.根据权利要求1所述的实时测量锂电池热失控放热量的方法，其特征在于，所述根据当前所述燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度及加热时长，计算所述燃烧弹的壁面与环境对流的散热量包括：
按预设的加热功率对未设置锂电池的封闭的所述燃烧弹进行加热，直至所述燃烧弹的壁面平均温度变化小于预设温度变化值，记录当前所述燃烧弹的壁面稳定温度和环境温度；
改变加热功率，重复上述过程若干次，获得所述燃烧弹在不同加热功率下的壁面稳定温度和环境温度；
基于所述燃烧弹在不同加热功率下的壁面稳定温度和环境温度，对所述燃烧弹内的加热功率与壁面稳定温度关系函数进行拟合，获得所述燃烧弹的散热系数；所述燃烧弹内的加热功率与壁面稳定温度关系函数如下：
Pheat＝hf×Ab×(Tw-Tamb)
其中，Pheat为弹内加热器的加热功率，hf为燃烧弹的散热系数，Ab为燃烧弹的散热面积，Tw为燃烧弹的壁面稳定温度，Tamb为燃烧弹的环境温度；
测量并记录当前所述燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度及加热时长；
利用所述燃烧弹的散热系数以及当前所述燃烧弹的时刻弹体表观温度、环境温度、加热时长计算出所述燃烧弹的壁面与环境对流的散热量，计算公式如下：
Qwall＝hf×Ab×(Tw1-Tamb)×t
其中，Qwall为燃烧弹的壁面与环境对流的散热量，hf为散热系数，Ab为燃烧弹的散热面积，Tw1为当前燃烧弹的时刻弹体表观温度，Tamb为当前燃烧弹的环境温度，t为燃烧弹的加热时长。
5.根据权利要求1所述的实时测量锂电池热失控放热量的方法，其特征在于，所述根据所述燃烧弹的弹内气压值变化，计算弹内气体内能增量包括：
获取所述燃烧弹内的各气体定容比热容随温度的变化趋势图，拟合得到所述燃烧弹内的各气体定容比热容与温度的关系函数；
根据所述燃烧弹内的各气体定容比热容与温度的关系函数，计算初始时刻所述燃烧弹内的各气体定容比热容和当前时刻所述燃烧弹内的各气体定容比热容；
测量并记录所述燃烧弹的初始弹内气压值和当前所述燃烧弹的时刻弹内气压值，通过所述燃烧弹的弹内气压值计算出所述燃烧弹内的各气体分压，计算公式如下：
P0＝ci0×Pi0
其中，P0为燃烧弹的初始弹内气压值，ci0为初始时刻第i种气体的体积浓度，Pi0为初始时刻第i种气体的分压；
P1＝ci1×Pi1
其中，P1为当前燃烧弹的时刻弹内气压值，ci1为当前时刻第i种气体的体积浓度，Pi1为当前时刻第i种气体的分压；
通过所述燃烧弹内的各气体定容比热容计算出各气体的内能，计算公式如下：
其中，Ui0为初始时刻第i种气体的内能，cvi0为初始时刻第i种气体的定容比热容，Pi0为初始时刻第i种气体的分压，V为燃烧弹的容积，Mi为第i种气体的摩尔分子量，R为理想气体常数；
其中，Ui1为当前时刻第i种气体的内能，cvi1为当前时刻第i种气体的定容比热容，Pi1为当前时刻第i种气体的分压，V为燃烧弹的容积，Mi为第i种气体的摩尔分子量，R为理想气体常数；
通过燃烧弹内的各气体的内能增量计算出所述燃烧弹的弹内气体内能增量，计算公式如下：
ΔUair＝∑Ui1-∑Ui0
其中，ΔUair为燃烧弹的弹内气体内能增量，Ui0为初始时刻第i种气体的内能，Ui1为当前时刻第i种气体的内能。
6.一种实时测量锂电池热失控放热量的装置，其特征在于，包括：
燃烧弹，所述燃烧弹上开设有进气孔和排气孔；
电子秤，所述电子秤设置于所述燃烧弹内，用于测量所述燃烧弹内的样品锂电池的质量；
防护笼，所述防护笼设置于所述电子秤的秤盘上；
锂电池热失控触发装置，所述锂电池热失控触发装置设置于所述防护笼内，用于加热所述样品锂电池；
温度传感器，所述燃烧弹的壁面及内部均设置有所述温度传感器；
压力传感器，设置于所述燃烧弹上，用于测量所述燃烧弹的弹内气压值。
7.根据权利要求6所述的实时测量锂电池热失控放热量的装置，其特征在于，还包括观察目镜，所述燃烧弹上设置有一个或多个所述观察目镜。
8.根据权利要求6所述的实时测量锂电池热失控放热量的装置，其特征在于，还包括冷却箱和冷却液流管；所述冷却箱设置于所述燃烧弹内，所述电子秤容置于所述冷却箱内，且所述电子秤的支杆穿设所述冷却箱与所述电子秤的秤盘相连；所述冷却箱内设置有多个所述冷却液流管。
9.根据权利要求6所述的实时测量锂电池热失控放热量的装置，其特征在于，还包括限压阀，所述燃烧弹上设置有所述限压阀。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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