CN116298940A - 一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法及装置，该装置包括：锂离子电池、模拟储能舱、电池检测仪、热电偶组、温度记录仪、可见光监控设备、气体探测器组、采气装置和气相色谱仪。该方法包括：充电准备阶段，将电池固定在舱内，确认各装置工作正常；第一次充电，对电池进行恒流充电，设置充电暂停电压；充电暂停，电池电压达到充电暂停电压时，暂停充电，电池不会发生热失控；第二次充电，暂停结束后对电池恒流充电，直至热失控发生。上述方案中的分段充电可模拟锂离子电池实际应用中的复杂工况，研究整个过程中电池的电压、温度、形变、产气和产烟特性，为研究锂离子电池热失控安全预警技术提供有力支持。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子安全研究技术领域，具体是一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法及装置。
背景技术
近年来锂离子电池由于能量密度高、使用寿命长、稳定性好等优点，已经成为电化学储能领域最重要的电池类型之一，在电动汽车、储能电站和航空航天等领域大量应用。然而，锂离子电池在应用过程中频繁发生的安全事故说明，锂离子电池在使用时，特别是热失控时，有严重的安全隐患。锂离子电池在电动汽车领域应用更早，目前关于锂离子电池热失控的研究大多是根据动力电池运行工况进行的。然而长期放置的储能电池，其运行工况与动力电池大相径庭。储能应用环境的显著特点是恒温、静态存储，储能电池单预制舱结构封闭，不存在直接热源加热或与电动汽车类似的碰撞、穿刺等热失控触发条件。过充电触发热失控是储能电池最为常见的故障情况，有必要针对储能工况下过充电触发锂离子电池热失控开展研究。
公开号为CN113064079A的发明中提出了一种锂离子动力电池组过充性能测试装置和方法。测试装置包括测试箱、待测锂离子电池、气体管道和气体收集箱等。该方法在电池充电的过程中，通过使用复合FBG传感器，实现了压力和温度瞬态变化的准确测量，同时测量了产生的气体总量，为锂离子电池安全性能分析和改善提供有力的技术支持。公开号为CN114996932A的发明公开了一种锂离子电池过充热失控模型的建模方法。该方法建立了锂离子电池的电化学准二维模型、集总热模型和集总热滥用模型，将电化学准二维模型、集总热模型和集总热滥用模型进行耦合，并利用测试中记录的锂离子电池在不同时刻的电压曲线和温度曲线对初始过充热失控模型进行标定，得到锂离子电池电化学-热-热滥用耦合的最终过充热失控模型。该发明能够更准确地模拟锂离子电池的过充热失控行为，得到过充电热失控过程中电压和温度的变化规律。公开号为CN114739618A的发明公开了一种多因素耦合刺激下锂电池热失控可视化综合实验方法，基于多因素耦合刺激的锂电池热失控可视化综合实验装置，包括热失控封闭实验罐、高压配气系统、锂电池夹持装置、外部刺激施加装置、热施加装置、多阶段气体收集系统、数据采集系统和总控柜。该实验方法能用于研究多因素耦合作用下锂电池的热失控规律，能对热失控全过程进行多阶段气体全周期动态风险分析。
热滥用、电滥用和机械滥用是锂离子电池会发生热失控的外部诱因，外部诱因会导致锂离子电池发生内短路，短时间内产生大量热量和气体，当电池内部热量积累过多导致内部温度超过反应临界值时，就会触发电池内部一系列的化学反应导致电池热失控。考虑储能电池的应用场景，过充电(电滥用)会是储能锂电池在使用过程中触发热失控的主要因素。目前，储能舱中通常会配备气体探测器、烟雾探测器、温度传感器等，和电池管理系统(BMS)配合实现储能锂离子电池的状态管理。为了提高储能系统中锂离子电池运行时可靠性，减少相关安全事故，对过充电触发锂离子电池热失控的特性进行研究是必要的。
现有对于过充电触发锂电池热失控的研究方法中，普遍是持续过充引起锂离子电池的热失控，过充电过程是连续不间断的。而锂离子电池在应用时的工况是复杂多变的，过充电过程可能是非连续的，例如：1)储能舱充电装置直接故障引起的不连续充电；2)充电系统与电池之间接触不良或者不同电池之间接触不良引起的不连续充电；3)锂电池模组中的电池单体由于健康状态(State Of Health,SOH)不同引起的电池管理系统(BatteryManagement System,BMS)误判引起的不连续充电等。现有的热失控研究方法中，没有充分考虑上述不连续充电工况。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提出一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法及装置，通过采用分段充电触发锂离子电池热失控的方法，模拟实际应用中不连续充电的工况，研究此过程中锂离子电池热失控的电压、温度、形变、产气和产烟等特性，为研究锂离子电池热失控安全预警技术提供有力支持。
一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究装置，包括模拟储能舱、电池检测仪、热电偶组、温度记录仪、可见光监控设备、气体探测器组、采气装置以及气相色谱仪；
所述模拟储能舱，用于模拟锂离子电池的储能应用环境；
所述电池检测仪，与锂离子电池连接，用于对锂离子电池进行充放电，以及监测锂离子电池充放电过程中的电压与电流；
所述热电偶组，布置在锂离子电池表面，用于测量电池热失控过程中电池表面温度；
所述温度记录仪，与热电偶组连接，用于记录锂离子电池热失控过程中电池表面温度变化；
所述可见光监控设备，用于拍摄模拟储能舱内图像，记录锂离子电池热失控过程中形变及产气产烟行为；
所述气体探测器组，用于实时监测模拟储能舱内各种热失控特征气体的浓度；
所述采气装置，用于定时抽出少量模拟储能舱内气体，并通入气相色谱仪中；
所述气相色谱仪，用于对通入的气体成分进行准确检测，分析各特征气体浓度变化规律。
进一步的，所述模拟储能舱由钢板焊接而成。
进一步的，所述热电偶组包括四条热电偶，热电偶的触头布置在锂离子电池表面，热电偶的尾部与温度记录仪连接。
进一步的，所述四条热电偶中第一热电偶触头布置在电池正极附近，第二热电偶触头布置在电池负极附近，第三热电偶触头布置在电池正面，第四热电偶触头布置在电池侧面。
一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法，其采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：
充电准备：将锂离子电池固定在模拟储能舱内，将锂离子电池与电池测试仪连接，将热电偶组布置在锂离子电池表面，打开其余设备并确认工作正常；
第一段充电：通过电池测试仪对锂离子电池进行恒流充电，充电过程中电池检测仪监测电池的电压变化，设置充电暂停电压为Vt，电池电压达到Vt时彻底断电，电池不会发生热失控；气体探测器组、采气装置和气相色谱仪配合监测模拟储能舱内各类热失控特征气体浓度变化，可见光监控设备拍摄图像，记录锂离子电池过充电过程中形变及产气产烟行为；
充电暂停：锂离子电池电压上升到Vt时，充电暂停，暂停期间，电池不会发生热失控，但是仍有气体生成。气体探测器组、采气装置和气相色谱仪配合监测模拟储能舱内各类热失控特征气体浓度变化，可见光监控设备拍摄图像，记录锂离子电池充电暂停过程中形变及产气产烟行为；
第二段充电：充电暂停一段时间继续对锂离子电池进行恒流充电，直至热失控发生，充电过程中电池检测仪监测电池的电压变化，气体探测器组、采气装置和气相色谱仪配合监测模拟储能舱内各类热失控特征气体浓度变化，可见光监控设备拍摄图像，记录锂离子电池充电暂停过程中形变及产气产烟行为。
进一步的，所述充电暂停电压Vt＝20V。
进一步的，第二段充电暂停时间为30分钟。
本发明提出一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法及装置，能够分析锂离子电池分段过充触发热失控的电池电压、温度、形变、产气与产烟特性，为研究锂离子电池热失控安全预警技术提供有力支持。
附图说明
图1是本发明分段充电触发锂离子电池热失控的研究装置其中一个实施例的结构示意图；
图2是本发明分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法其中一个实施例的流程图；
图3中(a)是本发明实施例分段充电触发锂离子电池热失控过程中第一阶段充电时的电池电压信号图，(b)是第二阶段充电时的电池电压信号图；
图4是本发明实施例分段充电触发锂离子电池热失控过程中特征气体浓度变化图；
图5是本发明实施例分段电池表面热电偶测温点布置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
过充电触发储能锂电池热失控的过程可以分为四个阶段，具体如下：
第一阶段：锂电池正极脱锂，负极嵌锂，电池电压逐渐升高。此阶段负极嵌锂会与电极材料中的聚合物粘合剂发生反应，产生氢气。由于气体产量少，锂电池不会发生形变。
第二阶段：正极严重脱锂，负极有大量锂枝晶形成，电池电压明显提升，电池开始膨胀变形。
第三阶段：电池温度升高，固体电解质界面膜(Solid Electrolyte Interface,SEI)高温下分解生成乙烯和二氧化碳。负极嵌锂与电池电解液发生反应，生成烃类气体。正极材料分解产生的氧气与电解液发生反应产生一氧化碳和二氧化碳。电池安全阀在此阶段打开，内部化学反应生成的气体向外喷射，储能舱内各种气体浓度明显上升。
第四阶段：锂电池隔膜熔化，引发电池两级直接接触，触发内短路，同时产生大量热量，促进电解液分解等副反应发生，有浓烟产生。电池温度在200-300℃时，热失控发生。
过充电触发储能锂电池热失控整个过程中，电池电压不断增加，直到内短路发生后，电压降为0。在过充电过程中，选择合适的充电暂停电压，可以在暂停充电后避免热失控发生。第一段充电时，设置充电暂停电压，在电池电压达到该值时暂停充电，并在一定时间后恢复充电，直至电池彻底内短路，热失控发生。本发明主要应用于研究分段充电触发锂离子电池热失控过程中的电池特性。
如图1所示，本发明实施例提供一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究装置，包括锂离子电池1、模拟储能舱2、电池检测仪3、热电偶组4、温度记录仪5、可见光监控设备6、气体探测器组7、采气装置8以及气相色谱仪9。
所述锂离子电池1选用外观良好且在荷电状态为100％的锂离子电池；
所述模拟储能舱2由钢板焊接而成，旨在模拟锂离子电池1的储能应用环境，所述模拟储能舱2具有防爆特性，四周留有与其他设备连接通道；
所述电池检测仪3用于对锂离子电池1进行充放电，并且可监测锂离子电池1充放电过程中的电压与电流；
如图5所示，所述热电偶组4包括4条热电偶(a-d)，热电偶可测量电池热失控过程中电池表面温度，其触头布置在锂离子电池1表面，尾部与温度记录仪5连接。电池表面测温点布置参考图5，其中热电偶a触头布置在电池正极附近，热电偶b触头布置在电池负极附近，热电偶c触头布置在电池正面，热电偶d触头布置在电池侧面；
所述温度记录仪5连接热电偶组4，用于记录锂离子电池1热失控过程中电池表面温度变化；
所述可见光监控设备6，用于拍摄模拟储能舱2内图像，记录锂离子电池1热失控过程中形变及产气产烟行为；
所述气体探测器组7，用于实时监测模拟储能舱2内各种热失控特征气体的浓度；
所述采气装置8，用于定时抽出少量模拟储能舱2内气体，并通入气相色谱仪9中；
所述气相色谱仪9，用于对通入的气体成分进行准确检测，分析各特征气体浓度变化规律。
如图2所示，本发明实施例提供一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法，采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：
充电准备：将锂离子电池1固定在模拟储能舱2内，将锂离子电池1与电池测试仪3连接，将热电偶组4布置在锂离子电池1表面，打开其余设备并确认工作正常；
第一段充电：通过电池测试仪3对锂离子电池1进行恒流充电，充电过程中电池检测仪3监测电池的电压变化，设置充电暂停电压为Vt(本实施例设置Vt＝20V)，电池电压达到Vt时彻底断电，电池不会发生热失控；气体探测器组7、采气装置8和气相色谱仪9配合监测模拟储能舱2内各类热失控特征气体浓度变化，可见光监控设备6拍摄图像，记录锂离子电池1过充电过程中形变及产气产烟行为；
充电暂停：锂离子电池1电压上升到Vt时，充电暂停。暂停期间，电池不会发生热失控，但是仍有气体生成。气体探测器组7、采气装置8和气相色谱仪9配合监测模拟储能舱2内各类热失控特征气体浓度变化，可见光监控设备6拍摄图像，记录锂离子电池1充电暂停过程中形变及产气产烟行为；本阶段电池电压变化参考图3，部分特征气体浓度变化参考图4；
第二段充电：充电暂停一段时间(例如30分钟后)继续对锂离子电池1进行恒流充电，直至热失控发生，充电过程中电池检测仪3监测电池的电压变化，气体探测器组7、采气装置8和气相色谱仪9配合监测模拟储能舱2内各类热失控特征气体浓度变化，可见光监控设备6拍摄图像，记录锂离子电池1充电暂停过程中形变及产气产烟行为。本阶段电池电压变化参考图3，部分特征气体浓度变化参考图4。
本发明实施例以分段充电的方式触发锂离子电池热失控，模拟电池在实际应用中不连续充电的工况，如：1)储能舱充电装置直接故障引起的不连续充电；2)充电系统与电池之间接触不良或者不同电池之间接触不良引起的不连续充电；3)锂电池模组中的电池单体由于健康状态不同引起的电池管理系统误判引起的不连续充电等。上述分段充电触发锂离子电池热失控，可选择分两段充电，也可选择分多段充电。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究装置，其特征在于：包括模拟储能舱、电池检测仪、热电偶组、温度记录仪、可见光监控设备、气体探测器组、采气装置以及气相色谱仪；
所述模拟储能舱，用于模拟锂离子电池的储能应用环境；
所述电池检测仪，与锂离子电池连接，用于对锂离子电池进行充放电，以及监测锂离子电池充放电过程中的电压与电流；
所述热电偶组，布置在锂离子电池表面，用于测量电池热失控过程中电池表面温度；
所述温度记录仪，与热电偶组连接，用于记录锂离子电池热失控过程中电池表面温度变化；
所述可见光监控设备，用于拍摄模拟储能舱内图像，记录锂离子电池热失控过程中形变及产气产烟行为；
所述气体探测器组，用于实时监测模拟储能舱内各种热失控特征气体的浓度；
所述采气装置，用于定时抽出少量模拟储能舱内气体，并通入气相色谱仪中；
所述气相色谱仪，用于对通入的气体成分进行准确检测，分析各特征气体浓度变化规律。
2.如权利要求1所述的分段充电触发锂离子电池热失控的研究装置，其特征在于：所述模拟储能舱由钢板焊接而成。
3.如权利要求1所述的分段充电触发锂离子电池热失控的研究装置，其特征在于：所述热电偶组包括四条热电偶，热电偶的触头布置在锂离子电池表面，热电偶的尾部与温度记录仪连接。
4.如权利要求1所述的分段充电触发锂离子电池热失控的研究装置，其特征在于：所述四条热电偶中第一热电偶触头布置在电池正极附近，第二热电偶触头布置在电池负极附近，第三热电偶触头布置在电池正面，第四热电偶触头布置在电池侧面。
5.一种分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法，其特征在于采用权利要求1-4中任一项所述装置进行，所述方法包括如下步骤：
充电准备：将锂离子电池固定在模拟储能舱内，将锂离子电池与电池测试仪连接，将热电偶组布置在锂离子电池表面，打开其余设备并确认工作正常；
第一段充电：通过电池测试仪对锂离子电池进行恒流充电，充电过程中电池检测仪监测电池的电压变化，设置充电暂停电压为Vt，电池电压达到Vt时彻底断电，电池不会发生热失控；气体探测器组、采气装置和气相色谱仪配合监测模拟储能舱内各类热失控特征气体浓度变化，可见光监控设备拍摄图像，记录锂离子电池过充电过程中形变及产气产烟行为；
充电暂停：锂离子电池电压上升到Vt时，充电暂停，暂停期间，电池不会发生热失控，但是仍有气体生成。气体探测器组、采气装置和气相色谱仪配合监测模拟储能舱内各类热失控特征气体浓度变化，可见光监控设备拍摄图像，记录锂离子电池充电暂停过程中形变及产气产烟行为；
第二段充电：充电暂停一段时间继续对锂离子电池进行恒流充电，直至热失控发生，充电过程中电池检测仪监测电池的电压变化，气体探测器组、采气装置和气相色谱仪配合监测模拟储能舱内各类热失控特征气体浓度变化，可见光监控设备拍摄图像，记录锂离子电池充电暂停过程中形变及产气产烟行为。
6.如权利要求5所述的分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法，其特征在于：所述充电暂停电压Vt＝20V。
7.如权利要求5所述的分段充电触发锂离子电池热失控的研究方法，其特征在于：第二段充电暂停时间为30分钟。
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