CN115068861A - 一种用于锂离子电池热失控灾害抑制研究的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于锂离子电池热失控灾害抑制研究的实验装置，包括耐压容器，所述耐压容器内部设置有水平方向的孔板，电池样本置于孔板上面，所述耐压容器1内部设置温度传感器、压力传感器、电池电压传感器以及热失控触发模块，所述温度传感器设置在电池样本正上方和表面，所述电压传感器设置在电池样本表面，所述电池电压传感器设置在电池样本正负极处，所述热失控触发模块设置在电池样本侧面。本发明提供了一种较为全面、可靠的用于研究实验室尺度的锂离子电池热失控及灾害控制的实验装备，设备配置多种传感器辅之以便携的计算机数据处理方法，使得数据在测量及处理过程中更直观的呈现，并且在多种数据的耦合分析下得到更为可靠的结果。

Description

一种用于锂离子电池热失控灾害抑制研究的实验装置

技术领域

本发明涉及锂离子电池安全性能及防护领域，特别涉及一种用于锂离子电池热失控灾害抑制研究的实验装置。

背景技术

随着当今社会经济的快速发展，人类对能源的需求量与日俱增；同时，为了缓解社会发展与环境恶化之间的矛盾，人们对于清洁性能源的呼声也日益高涨。锂离子电池作为一种清洁环保的新型能源介质，具有高能量比、高工作电压、无记忆效应以及循环寿命长等特点。自20世纪末商业化以来，锂离子电池得到广泛应用，尤其在新能源汽车的推广中担当着十分重要的角色。然而，锂离子电池在滥用条件下容易发生热失控从而诱发各种安全问题，加之新能源汽车安全事故时有发生，阻碍了电动汽车的进一步推广。锂离子电池热失控及热失控传播行为的研究有助于理解锂离子电池灾害的演变过程，对电池灾害控制具有指导意义。现有实验装置缺少对封闭环境条件下锂离子电池热失控灾害及其抑制的研究能力。快速有效的抑制锂离子电池热失控、控制热失控传播是亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明目的是提供一种用于锂离子电池热失控灾害抑制研究的实验装置，为研究各种锂离子电池热失控行为及不同灭火介质对热失控抑制机理提供条件保障。

技术方案：本发明的一种用于锂离子电池热失控灾害抑制研究的实验装置，包括耐压容器，所述耐压容器内部设置有水平方向的孔板，电池样本置于孔板上面，所述耐压容器内部设置温度传感器、压力传感器、电池电压传感器以及热失控触发模块，所述温度传感器设置在电池样本正上方和表面，所述电压传感器设置在电池样本表面，所述电池电压传感器设置在电池样本正负极处，所述热失控触发模块设置在电池样本侧面；所述温度传感器、压力传感器和电池电压传感器的输出端分别与数据采集装置连接。

进一步，所述耐压容器顶端中央位置处设置向下的喷头，喷头的上端与灭火系统通过第一管道连接，第一管道与喷头通过螺纹的方式进行连接，第一管道上设置第一阀门，灭火系统设置在第一管道的端部。

进一步，所述第一管道上设置压力表或流量计。

进一步，所述耐压容器上端通过第二管道与气体测量系统连接，第二管道上设有第二阀门，第二管道的端部连接风机。

进一步，所述热失控触发模块包括热触发式或电触发式。

进一步，热触发式的热失控触发模块包括电加热或火焰加热方式，电加热通过加热棒、加热丝或加热板对电池样本进行直接接触式加热或非接触式辐射加热；火焰加热采用气体或液体池火进行加热。

进一步，电触发式的热失控触发模块利用电池循环测试设备通过导线与电池样本连接，通过外部触发短路、过度充/放电或大倍率充电的方式引发热失控。

进一步，所述耐压容器的壁面上设有透明的观察窗及可开关的开口。

进一步，所述耐压容器下表面设有多个圆形开口，其直径不超过2cm。

进一步，所述耐压容器的外形为球体或长方体，耐压容器的开口在关闭时需保证气密性。

有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、本发明提供了一种较为全面、可靠的用于研究实验室尺度的锂离子电池热失控及灾害控制的实验装备，实验装置采用耐压容器，壁面强度较高，因此实验样本不仅可以是单电池，还可以研究电池模块、大容量软包电池以及方形电池等相对大型的电池样本；

2、耐压容器具有较高强度，可以承受电池爆炸的冲击力，从而保障实验操作人员的安全性；

3、利用本发明装置可以在实验中采集热失控灾害过程中包括温度、电压、气体产物等多种实验数据，还可以通过透明观察窗进行图像分析，多种数据的叠合可以更加高效、精准的得出研究结果；采集的数据可直接传输到计算机进行处理、输出数据曲线，使得数据在测量及处理过程中更直观的呈现，不仅方便实验过程中进行监测还有利于后期数据分析；

4、喷头拆卸灵活，采用不同灭火剂时可以选取不同种类的喷头，用于锂离子电池灭火的实验研究十分便捷。

附图说明

图1是实施例采用细水雾灭火系统控制锂离子电池热失控的结构示意图；

图2是实施例采用泡沫灭火系统控制锂离子电池热失控的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

实施例1

如图1，本实施例所述的一种用于锂离子电池热失控灾害抑制研究的实验装置，耐压容器1由两个半球壳通过螺栓2紧密连接，连接处由橡胶垫片进行密封。耐压容器1表面设有开口13，开口13上有把手14，方便布置实验电池样本以及各传感器。耐压容器1表面同样布置有多个透明的观察窗15，有利于观察实验现象、录制实验视频。耐压容器1下部设置有多个圆形开口4，作为进风口。耐压容器1上部通过第二管道10连接风机12，整个实验过程中第二阀门11处于开启状态，风机12通过第二管道10将容器内的气体向外抽出，新鲜空气由下方的圆形开口4流入。气体测量系统S2通过第二管道10连接在风机12的主管道5上。

下部多个圆形开口4可用于模拟开放或封闭的实验环境，圆形开口4打开时，耐压容器1上部经第二管道10连接的风机12联动工作，此时耐压容器1底部空气经圆形开口4流入耐压容器1内，通过孔板3的整流作用产生相对稳定、缓慢的气流，从而削弱气流对灭火剂喷洒的影响；圆形开口4密封时，风机12同样处于关闭状态且第二管道10上的阀门旋至关闭状态，此时耐压容器1内部形成封闭的实验空间。

耐压容器1顶端中央位置处设置喷头6，喷头6的上端与灭火系统通过第一管道8连接，第一管道8与喷头6通过螺纹的方式进行连接，第一管道8上设置第一阀门9，灭火系统设置在第一管道8的端部。本实施例中灭火系统为细水雾灭火系统S1，经过第一管道将水供给到喷头6，通过喷头6向下喷洒水雾，第一管道8与耐压容器1交接处利用橡胶圈密封，第一管道8上靠近喷头6位置设置有水压表7用于检测、控制细水雾流量，第一阀门9通过手动的方式控制细水雾供水系统的开关状态。

耐压容器1内下部水平放置两层孔板3，实验过程中电池样本固定在上层孔板3且处于喷头6正下方，下部流入的空气经两层孔板3整流可以获得相对稳定均匀的气流，从而减缓气流对细数雾雾场的干扰。耐压容器1内部设置温度传感器、压力传感器、电池电压传感器以及热失控触发模块，所述温度传感器设置在电池样本正上方和表面，电压传感器设置在电池样本表面，电池电压传感器设置在电池样本正负极处，热失控触发模块设置在电池样本侧面；温度传感器、压力传感器和电池电压传感器的输出端分别与数据采集装置连接，数据采集装置连接计算机，将数据实时上传到计算机。

电池表面布置的电压传感器以及温度传感器经数据采集仪S3实时传输到计算机S4，用于监控电池热行为过程。电池样本经热失控触发模块引发热失控行为，本实施例中热失控触发模块S7采用热触发式。电池样本的正上方布置多个温度传感器，经数据采集仪S5传输至计算机S6用于监测、分析电池热失控及抑制过程中对环境温度的影响。

热触发式的热失控触发模块包括电加热或火焰加热方式，电加热通过加热棒、加热丝或加热板对电池样本进行直接接触式加热或非接触式辐射加热；火焰加热采用气体或液体池火进行加热。

本实施例采用一个2×4的18650电池模组作为实验样本，热触发式的热失控触发系统S7采用一根尺寸大小与电池一致的电加热棒，本实施例研究细水雾对电池模组内热失控传播过程的抑制效果，细水雾在第一节电池热失控触发后立刻手动开启。

由于不同种类锂离子电池热失控行为有所不同，因此在进行热失控灾害抑制研究之前需了解锂离子电池热失控行为。电池热失控行为研究实验中，先将各传感器布置好，对传感器进行必要测试确保其正常工作，随后将实验样本固定在孔板3上，并置于喷头6正下方位置。将电池样本静置一段时间，此期间可开启风机12进行通风(封闭条件下省略该过程)；实验正式开始时，同时触发热失控触发模块、传感器数据采集系统以及气体测量系统S2，从多角度采集分析锂离子电池热失控过程中各数据变化情况。根据电池热失控行为，通过不同参数对其热失控行为过程进行量化，从而选择合适的时机喷洒细水雾。灭火实验中，同样需要先调试各传感器以确保正常工作，同时事先调节好灭火剂喷洒流量或工作压力；实验开始后，待锂离子电池达到触发时机，手动开启灭火系统开始喷洒。

实验前先将喷头6工作压力调整到实验所需压力值，同时确保水源充足；随后将电池样本表面传感器连接好，将电池模块固定在上层孔板3的中心位置并静置一段时间，直至电池表面温度降至环境温度；在此期间将耐压容器1内的温度传感器固定好并将传感器与数据采集装置、计算机相连；利用盖子关闭下部的圆形开口4，确保耐压容器1内部的密封性；随后开启风机12，让空气在耐压容器1内流动一段时间且基本稳定后方可开始实验；实验开始时，同时触发热失控触发系统S7、气体测量系统S2、数据采集仪S3和S5以及计算机S4和S6；实验全程记录实验现象；实验过程中确保温度数据记录频率至少保持在1Hz，可根据温度数据判断电池是否接近或达到热失控温度，从而及时的触发细水雾灭火系统S1；热失控触发后随机切断电加热棒电源；细水雾灭火系统S1在电池热失控后即刻手动控制触发，通过计算机实时监测的数据分析电池模组中各电池的温度变化情况；细水雾一旦开启持续施加，直到模组内所有电池温度均降低至安全温度方可停止作用；实验过程中由于电池热失控会产生大量有毒有害气体，因此需要将风机12与外部排烟系统连接，将有毒气体有效排除；细水雾灭火系统S1关闭后，将电池静置一段时间，确保电池表面温度处在相对较低值且不再上升方可结束实验。

该实验可以选择不同细水雾工作压力、动作时机以及不同功率的电加热热源，因此该实验可以系统的研究不同作用条件下细水雾对锂离子电池热失控及热失控传播灾害的抑制效果。

实施例2

如图2所示，本实施例采用泡沫灭火剂抑制大容量方形锂离子电池热失控的实验，采用的实验样本为容量25Ah，尺寸150×90×25mm³的不锈钢外壳方形锂离子电池；耐压容器1主体为一个内部直径为60cm的球壳，壳体采用不锈钢材料，透明的观察窗15口采用钢化玻璃制成。

球体同样采用两个半球通过螺栓连接，并通过密封圈密封；耐压容器1下半部分设有开口13用于布置电池样本及传感器；耐压容器1两侧开有透明的观察窗15，实验过程中可直接观测电池热行为；容器下部圆形开口4通过带有螺纹及橡胶圈的盖子16封住，形成封闭的实验空间；实验空间内除了布置有温度传感器外，还设置了压力传感器用于监测封闭空间下锂离子电池热失控对于空间压力的影响；装置上部气体测量系统S2通过第二管道10直接与实验空间相连；泡沫灭火系统S1通过第一管道8伸入实验空间内，第一管道8上设有手动阀门9以及流量计7用于控制泡沫灭火剂的动作时机及流量大小。

本实施例中，锂离子电池采用过充电的方式触发热失控，过度充电的热失控触发系统S7通过导线与电池两级相连，采用1C的充电电流对满电状态的电池进行过度充电测试。电池表面及上方布置有温度传感器，实时监测实验过程中温度的变化。本实施例中方形电池安全阀开口朝向上方，同时固定在喷头6正下方位置处；电池表面的温度传感器采用K型热电偶，通过数据采集仪S3与计算机S4相连，实现10Hz的温度采集频率。

实验开始前，先检查各传感器是否处在正常工作状态并且将泡沫灭火系统S1的流量调整至实验所需值；将已经充满电的电池样本正负极与热失控触发系统S7通过导线连接；并且将电池表面温度传感器及电压传感器布置在相应位置并通过高温胶带贴紧；之后将电池样本固定在容器底部不锈钢板上，安全阀开口向上，将电池静置一段时间至表面温度恢复至环境温度；将电池上方温度数据传感器和压力数据传感器布置在相应位置；随后耐压容器1壁面上开口13，保证实验过程始终处在封闭条件下；实验开始时，将过度充电热失控触发系统S7、气体测量系统S2、数据采集仪S3和S5及计算机S4和S6同时打开；实验时电池样本在充电过程中不断升温，达到一定温度后安全阀开启，电池内部产生的气体释放到实验空间内，该过程中可通过检测电池表面温度数据以及气体种类和浓度变化来监测电池所经历的热失控过程；达到灭火剂触发条件时，手动开启第一管道8上的阀门10，喷洒泡沫灭火剂，同时切断热失控触发系统S7的电源；当泡沫灭火剂将电池周围空间淹没时停止施加，观察电池表面温度变化，当电池表面温度整体降至较低温度且不再呈现上升趋势时，实验结束。

本实施例中，实验样本可采用小型锂离子电池也可采用大容量车载或储能电池；除喷洒泡沫灭火剂之外，还可以使用气体灭火系统；灭火剂的喷洒时机、强度也可以随实验的需要进行调整；因此本实施例适用于系统的研究封闭环境下锂离子电池热失控灾害抑制过程。

本发明提供了一种较为全面、可靠的用于研究实验室尺度的锂离子电池热失控及灾害控制的实验装备，设备配置多种传感器辅之以便携的计算机数据处理方法，使得数据在测量及处理过程中更直观的呈现，并且在多种数据的耦合分析下可以得到更为可靠的结果；采用本装置可以研究多种电池在多种灭火剂作用下的灾害抑制效果，一定程度上填补了当前研究所需的空白，为实际实验研究及工程应用提供参考。

Claims (10)

1.一种用于锂离子电池热失控灾害抑制研究的实验装置，其特征在于，包括耐压容器(1)，所述耐压容器(1)内部设置有水平方向的孔板(3)，电池样本置于孔板(3)上面，所述耐压容器(1)内部设置温度传感器、压力传感器、电池电压传感器以及热失控触发模块，所述温度传感器设置在电池样本正上方和表面，所述电压传感器设置在电池样本表面，所述电池电压传感器设置在电池样本正负极处，所述热失控触发模块设置在电池样本侧面；所述温度传感器、压力传感器和电池电压传感器的输出端分别与数据采集装置连接。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述耐压容器(1)顶端中央位置处设置向下的喷头(6)，喷头(6)的上端与灭火系统通过第一管道(8)连接，第一管道(8)与喷头(6)通过螺纹的方式连接，第一管道(8)上设置第一阀门(9)，灭火系统设置在第一管道(8)的端部。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述第一管道(8)上设置压力表或流量计。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述耐压容器(1)上端通过第二管道(10)与气体测量系统连接，第二管道(10)上设有第二阀门(11)，第二管道(10)的端部连接风机(12)。

5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述热失控触发模块包括热触发式或电触发式。

6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，热触发式的热失控触发模块包括电加热或火焰加热方式，电加热通过加热棒、加热丝或加热板对电池样本进行直接接触式加热或非接触式辐射加热；火焰加热采用气体或液体池火进行加热。

7.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，电触发式的热失控触发模块利用电池循环测试设备通过导线与电池样本连接，通过外部触发短路、过度充/放电或大倍率充电的方式引发热失控。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述耐压容器(1)的壁面上设有透明的观察窗(15)及可开关的开口(13)。

9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述耐压容器(1)下表面设有多个圆形开口(4)，其直径不超过2cm。

10.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述耐压容器(1)的外形为球体或长方体，耐压容器(1)的开口在关闭时需保证气密性。

Images