CN117268989A - 电池热失控产气量的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电池热失控产气量的测试方法，待测电池置于密闭绝热加速量热仪的低氧状态量热腔内，对待测电池表面进行加热和温度追踪，当电池进入自产热，停止加热，进入绝热追踪模式，至热失控结束，对腔体压强进行实时监测，通过腔体压强变化转换计算监测过程中的产气量。由于测试电芯在绝热条件下的热失控，更能真实地反应电池的热特性，产气量的测试准确度较高，且测试便捷；可实现目前技术无法满足的“实现监测”与“产气速率”测量，为电池热失控性能研究与分析，提供可靠的理论支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种动力电池测试技术，特别涉及一种电池热失控产气量的测试方法。
背景技术
近年来，我国电动汽车行业发展迅速，然而，电动汽车的安全性，始终是电动汽车发展过程中的最大挑战之一。动力电池作为电动汽车的主要动力来源，其热失控引起的安全问题仍是制约发展的最大阻碍。对电池热失控演化期间的内部产气量的测量，可以评估电池在极端条件下的热行为，有助于设计更安全和稳定的电池系统，选择合适的材料和组件，并优化电池的结构和参数，减少电池爆炸的风险，提高电池的热稳定性和安全性。
现有的电池产气量的测试主要针对常规使用条件下电池的膨胀产气，如化成产气量，其产气速度慢、产气量小，测试环境相对静态，难以满足电池在极端条件下，如过充、短路以及滥用期间快速产气的测量，不利于对电池热失控机理的研究。此外，现有的测试方法主要是将电池内部气体导出，通过排水法或排体积法测量，忽略了部分气体溶于水，存在一定的测量误差。
绝热加速量热仪(Accelerating Rate Calorimeter)是一种用于测量化学反应或物质变化的放热或吸热量的仪器，可以实时提供绝热条件下温度、压力、电压等数据。在新能源领域，绝热加速量热仪能够模拟电池内部热量不能及时散失时放热反应过程中的热特性，有助于了解真实情况，在研究锂离子电池热特性上具有很大的优势。
发明内容
针对现有产气量测试难度大、需要定制装置、准确性不高问题，提出了一种电池热失控产气量的测试方法。
本发明的技术方案为：一种电池热失控产气量的测试方法，待测电池置于密闭绝热加速量热仪的低氧状态量热腔内，对待测电池表面进行加热和温度追踪，当电池进入自产热，停止加热，进入绝热追踪模式，直至热失控结束，对腔体压强进行实时监测，通过腔体压强变化转换计算自产热以及热失控过程中的产气量。
进一步，所述待测电池置于密闭绝热加速量热仪的低氧状态量热腔内实现方法：将待测电池放入绝热加速量热仪的量热腔内，密封腔体，多次充入氮气，排空腔体内的空气，确定腔体内氧气含量小于1vol％。
进一步，所述绝热加速量热仪包括量热腔上的顶盖和量热腔，顶盖有一组加热器，量热腔的腔壁和底部各有一组加热器，绝热加速量热仪内部环境温度与内部样品温度基本一致，与外界没有热交换，实现近似绝热环境，待测电池置于其中处于均匀的温场中。
进一步，所述待测电池的表面用耐高温胶带贴合加热丝和温度传感器，置于绝热加速量热仪的腔体温场中，加热丝输入的热量完全被电池吸收，多余的热量无法散发出去，根据待测电池表面温度传感器检测到电池的温升速率变动，判断电池自产热，自产热后加热丝停止加热。
进一步，所述进入绝热追踪模式，腔体加热器实时追踪样品的温度，保持绝热环境，当待测电池表面温度传感器再次检测到温升速率突变，判断电池开始热失控，直至电池发生热失控失效测试结束。
进一步，所述通过腔体压强变化转换计算自产热以及热失控过程中的产气量：
转换计算公式P·V＝n·R·T，其中P是腔体压强，V是已知的腔体体积，n是腔体气体摩尔质量，T是腔体温度，R是热力学常数，等于8.314J/(mol·K)；在某一时刻T1表示为P1·V腔体＝n1·R·T1，下一个时刻T2表示为P2·V腔体＝n2·R·T2；两式相减得到ΔP·V腔体＝Δn·R·(T2-T1)，计算得到Δn，其中V腔体是已知的量热腔腔体体积，ΔP为时刻T1到时刻T2压力变化量，Δn是从时刻T1到时刻T2电池测试过程中生成气体的摩尔质量。
进一步，所述热失控结束温度稳定后可依据公式P0·Vgas＝Δn·R·T0将产气量换算为常温常压下的气体体积，P0是已知的常温压强，Vgas待测的气体体积，T0是已知的室温。
一种电池热失控状态电池热特性测试方法，根据所述电池热失控产气量的测试方法对电池进行测试，实时跟踪检测热失控过程中电池电压、温升、发热量，对电池的热性能进行综合分析。
本发明的有益效果在于：本发明电池热失控产气量的测试方法，由于测试电芯在绝热条件下的热失控，更能真实地反应电池的热特性，产气量的测试准确度较高，且测试便捷；可实现目前技术无法满足的“实现监测”与“产气速率”测量，为电池热失控性能研究与分析，提供可靠的理论支撑。
附图说明
图1是本发明本实施例电池热失控产气量的测试方法流程图；
图2是本发明测试步骤示意图；
图3是根据本发明方法测试后获得的动力锂离子电池的产气量-温度曲线图；
图4是根据本发明方法测试后获得的动力锂离子电池的产气速率-温度曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明电池热失控产气量的测试方法的实现，基于绝热加速量热仪的测试；所述绝热加速量热仪，包括量热腔上的顶盖和量热腔，顶盖有一组加热器，量热腔的腔壁和底部各有一组加热器。基于热补偿原理，绝热加速量热仪能通过软件控制各组加热器使仪器内部环境温度与内部样品温度基本一致，与外界没有热交换，实现近似绝热环境。待测电池置于加速绝热量热仪的腔体内，使得加热丝输入的热量完全被电池吸收，多余的热量无法散发出去。所述绝热加速量热仪内配有温度传感器和压力传感器，用于监测电池发热功率测试过程中温度和压强的变化数据，还包括计算模块，温度传感器与计算模块通信连接。
如图1所示电池热失控产气量的测试方法流程图，包括以下步骤：
步骤1、将待测电池放入绝热加速量热仪内，将待测电池放入绝热加速量热仪的量热腔内，密封腔体，排空腔体内部空气；
步骤2、加热升温至电池热失控，获得实时温度、压强变化数据；
步骤3、基于步骤2获得的实时压强数据，计算电池产气量。
采用本发明实施例的测试方法测试某磷酸铁锂动力电池产气量。
如图2所示测试步骤示意图，首先，对绝热加速量热仪进行校准和气密性验证，保证仪器各项性能正常；将待测电池悬挂于绝热加速量热仪的量热腔内，将加热丝和温度传感器用耐高温胶带贴合在电池表面，确保电池处于均匀的温场中，温度传感器能实时监测电池的温度；密封腔体，多次充入氮气，排空腔体内的空气，确定腔体内氧气含量小于1vol％；设置绝热加速量热仪的参数，优选地，初始温度设为40℃，终止温度设为200℃，设备检测到电池的温升速率大于0.02℃/min，判断电池自产热，自产热后加热丝停止加热，进入绝热追踪模式，腔体加热器实时追踪样品的温度，保持绝热环境，当电芯温升速率大于1℃/min，判断电池开始热失控，直至电池发生热失控失效测试结束。
电池热失控过程中的产气量计算公式P·V＝n·R·T，其中P是腔体压强，V是已知的腔体体积，n是腔体气体摩尔质量，T是腔体温度，R是热力学常数，等于8.314J/(mol·K)；在某一时刻T1表示为P1·V腔体＝n1·R·T1，下一个时刻T2表示为P2·V腔体＝n2·R·T2；两式相减得到ΔP·V腔体＝Δn·R·(T2-T1)，计算得到Δn，其中V腔体是已知的量热腔腔体体积，ΔP为时刻T1到时刻T2压力变化量，Δn是从时刻T1到时刻T2电池热失控过程中生成气体的摩尔质量；热失控失效结束温度稳定后可依据公式P0·Vgas＝Δn·R·T0换算为常温常压下的气体体积，P0是已知的常温压强，Vgas待测的气体体积，T0是已知的室温。另外，通过测试还可得到电池电压、温度等数据，可对电池的热性能进行综合分析。
图3为根据上述方法测试后的某磷酸铁锂电池产气量-温度曲线图。从图3中可看出，当电池温度为113.4℃时，电池产气量最大为84.78L，热失控最高温度为387.7℃，与相关文献中报道的数据基本吻合。
图4为根据上述方法测试后的某磷酸铁锂电池产气速率-温度曲线。从图4中可看出，当电池温度为112.8℃时，电池产气速率最大为127.5729L/s。
另外，通过测试还可以得到热失控过程中电压、温升、发热量等数据，这些参数对电池热管理和热安全都具有非常重要的意义。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种电池热失控产气量的测试方法，其特征在于，待测电池置于密闭绝热加速量热仪的低氧状态量热腔内，对待测电池表面进行加热和温度追踪，当电池进入自产热，停止加热，进入绝热追踪模式，直至热失控结束，对腔体压强进行实时监测，通过腔体压强变化转换计算自产热以及热失控过程中的产气量。
2.根据权利要求1所述电池热失控产气量的测试方法，其特征在于，所述待测电池置于密闭绝热加速量热仪的低氧状态量热腔内实现方法：将待测电池放入绝热加速量热仪的量热腔内，密封腔体，多次充入氮气，排空腔体内的空气，确定腔体内氧气含量小于1vol％。
3.根据权利要求1或2所述电池热失控产气量的测试方法，其特征在于，所述绝热加速量热仪包括量热腔上的顶盖和量热腔，顶盖有一组加热器，量热腔的腔壁和底部各有一组加热器，绝热加速量热仪内部环境温度与内部样品温度基本一致，与外界没有热交换，实现近似绝热环境，待测电池置于其中处于均匀的温场中。
4.根据权利要求3所述电池热失控产气量的测试方法，其特征在于，所述待测电池的表面用耐高温胶带贴合加热丝和温度传感器，置于绝热加速量热仪的腔体温场中，加热丝输入的热量完全被电池吸收，多余的热量无法散发出去，根据待测电池表面温度传感器检测到电池的温升速率变动，判断电池自产热，自产热后加热丝停止加热。
5.根据权利要求4所述电池热失控产气量的测试方法，其特征在于，所述进入绝热追踪模式，腔体加热器实时追踪样品的温度，保持绝热环境，当待测电池表面温度传感器再次检测到温升速率突变，判断电池开始热失控，直至电池发生热失控失效测试结束。
6.根据权利要求5所述电池热失控产气量的测试方法，其特征在于，所述通过腔体压强变化转换计算自产热以及热失控过程中的产气量：
转换计算公式P·V＝n·R·T，其中P是腔体压强，V是已知的腔体体积，n是腔体气体摩尔质量，T是腔体温度，R是热力学常数，等于8.314J/(mol·K)；在某一时刻T1表示为P1·V腔体＝n1·R·T1，下一个时刻T2表示为P2·V腔体＝n2·R·T2；两式相减得到ΔP·V腔体＝Δn·R·(T2-T1)，计算得到Δn，其中V腔体是已知的量热腔腔体体积，ΔP为时刻T1到时刻T2压力变化量，Δn是从时刻T1到时刻T2电池测试过程中生成气体的摩尔质量。
7.根据权利要求5所述电池热失控产气量的测试方法，其特征在于，所述热失控结束温度稳定后可依据公式P0·Vgas＝Δn·R·T0将产气量换算为常温常压下的气体体积，P0是已知的常温压强，Vgas待测的气体体积，T0是已知的室温。
8.一种电池热失控状态电池热特性测试方法，其特征在于，根据权利要求6所述电池热失控产气量的测试方法对电池进行测试，实时跟踪检测热失控过程中电池电压、温升、发热量，对电池的热性能进行综合分析。
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