CN117706384A - 用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,包括以下步骤:获取模拟高压电池储能系统的锂离子电池绝缘失效试验中电压、电流、温度、电阻以及电池图像;根据电压、电流、温度与电阻以及电池图像分析得到绝缘失效诱发的电池故障演变规律及内部反应机理。本发明结合电池内部材料理化分析和特征响应,深刻揭示锂电池故障机理及演变规律,为高压储能电池的安全绝缘防护设计提供指导。
Description
技术领域
本发明属于高压储能电池故障分析领域,具体涉及一种用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法。
背景技术
锂离子电池因其能量密度高、自放电率低、生命周期长特性而得到了迅速发展,广泛应用在电力系统发电、输电、配电、用电的各个环节,成为主要的储能电池之一。但是,由于锂离子电池独特的内部化学成分及外部结构特性,在面临电池储能系统故障如电池本体缺陷、外部激源、运行环境、管理系统缺陷时,锂离子电池容易产生火灾甚至爆炸,严重影响锂离子电池储能技术大规模发展及应用。
目前锂离子电池多采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,PolyethyleneTerephthalate)薄膜包覆外壳的方式进行绝缘防护,其划伤、破损与长期使用过程中的老化易引起绝缘故障,成为引发电池热失控的主要因素之一,机理研究可深入剖析锂离子电池失效的电化学反应过程,更好地支撑锂离子电池的绝缘防护设计。目前针对PET薄膜绝缘故障的机理研究主要基于对电池系统的电场仿真,未提出试验测量验证方法,并针对测量数据信息展开深入剖析,进而为绝缘失效引发的电池安全问题提供理论指导。
发明内容
为克服现有技术中的问题,本发明的目的是提供一种用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,该方法能够得到绝缘失效诱发的电池故障演变规律及内部反应机理,为绝缘失效引发的电池安全问题提供支持。
为实现上述目的,本发明采用的方案如下:
一种用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,包括以下步骤:
获取模拟高压电池储能系统的锂离子电池绝缘失效试验中电压、电流、温度、电阻以及电池图像;
根据电压、电流、温度与电阻以及电池图像分析得到绝缘失效诱发的电池故障演变规律及内部反应机理。
进一步的,获取模拟高压电池储能系统的锂离子电池绝缘失效试验中电压、电流、温度、电阻以及电池图像,包括以下步骤:
在去除绝缘蓝膜的锂离子电池外壳上布置用于模拟电池壳体绝缘失效的导电铜片;
连接用于模拟外部施加的过电压激励试验外接电路,进行锂离子电池绝缘失效试验,得到电压、电流、温度与电阻以及电池图像。
进一步的,在去除绝缘蓝膜的锂离子电池外壳上布置用于模拟电池壳体绝缘失效的导电铜片,包括以下步骤:
S11:在锂离子电池正极下方破坏电池外壳表面的绝缘蓝膜,并将电池外壳采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜包覆;
S12:利用夹板将导电铜片紧贴于电池外壳表面;
S13:采用隔热棉覆盖电池表面;
S14:将绝缘橡胶置于隔热棉外侧及电池底部。
进一步的,连接用于模拟外部施加的过电压激励试验外接电路,包括以下步骤:
将电池极耳及导电铜片与用于提供电池极耳与外壳间过电压的电压源相连。
进一步的,导电铜片与电压源之间设置保护电阻。
进一步的,过电压包括外壳-正极过电压、正极-外壳过电压、外壳-负极过电压与负极-外壳过电压。
进一步的,外壳-正极过电压为在外壳与正极之间施加从外壳到正极电位降低的高电压,正极-外壳过电压为在正极与外壳之间施加从正极到外壳电位降低的高电压,外壳-负极过电压为在外壳与负极之间施加从外壳到负极电位降低的高电压,负极-外壳过电压为在负极与外壳之间施加从负极到外壳电位降低的高电压。
进一步的,连接用于模拟外部施加的过电压激励试验外接电路,进行锂离子电池绝缘失效试验,得到电压、电流、温度与电阻以及电池图像,包括以下步骤:
当电流升高至设定值以上并稳定后,关闭直流电压源,检测外壳-正极、外壳-负极以及正极-负极间电压;
测试试验外接电路的回路电流,并用功率分析仪采集电流;
采集电池正面、背面、两极耳、底部与绝缘破坏处的温度;
对过电压施加下电池热失控后的电池正极、负极材料形貌进行观测,获得电池形貌;
分析电池表面元素分布;
计算电池外壳与极耳间电阻。
进一步的,采用下式计算电池外壳与极耳间电阻:
其中,R为电池外壳与极耳间电阻,单位:Ω;U为施加过电压后电池壳体与极耳间电压,单位:V;Iloop为电压源与电池外壳及极耳组成的回路电流,单位:A;R外电阻为铜导线电阻及接触电阻,单位Ω。
进一步的,根据电压、电流、温度与电阻以及电池图像分析绝缘失效诱发的电池故障演变规律及内部反应机理,包括以下步骤:
根据电压、电流与电阻,分析电池正负极跳水及内部枝晶导通-熔断情况;
根据温度确定电池内部反应位点,电池温度及温度变化率,判断电池是否发生热失控;
根据电池形貌及电池表面元素分布,分析电池绝缘失效过程中的元素转移和枝晶生长情况。
与现有技术相比,本发明具有的有益效果:
本发明通过对模拟高压电池储能系统的锂离子电池绝缘失效试验,并获得试样中的电压、电流、温度、电阻以及电池图像,从而对绝缘失效诱发的电池故障演变规律及内部反应机理进行分析。本发明结合电池内部材料理化分析和特征响应,深刻揭示并验证锂电池故障机理及演变规律,为高压储能电池的安全绝缘防护设计提供指导。
进一步的,本发明中电池外壳采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,PolyethyleneTerephthalate)薄膜包覆的方式进行绝缘防护。布置导电铜片时,利用夹板将导电铜片紧贴于电池外壳表面,从而增加电池外壳过流面积,同时避免电线虚接;采用隔热棉覆盖电池表面减少电池散热,从而防止过流面积过小导致产生局部热点;同时将绝缘橡胶置于隔热棉外侧及电池底部,避免漏电流产生。
附图说明
图1为高压储能电池在外部电激励下的绝缘失效模拟试验测试和数据分析流程图;
图2为电池组结构设置示意图;
图3为线路连接示意图;
图4为电池表面温度测点布置图。
图中,1为导电铜片,2为电池,3为隔热棉,4为绝缘橡胶,5为夹板,6为保护电阻,7为电压源,8为功率分析仪。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是,本发明可以以多种不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施方式。相反地,提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
参见图1,本发明的一种用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,包括以下步骤:
S1:选取某规格的锂离子电池样品,破坏电池2外壳绝缘蓝膜,并布置导电铜片1,用来模拟电池壳体绝缘失效的部分;
S2:连接试验外接电路,模拟外部施加的过电压激励;
S3:测量绝缘失效过程中电压、电流、温度、电阻,观测电池正极、负极材料形貌和电池表面元素分布情况,记录试验过程图像;
S4:将记录下来的数据与信息针对性分析绝缘失效诱发的电池故障演变规律及内部反应机理。
具体的:
步骤S1的具体的试验步骤如下:
S11:参见图2,选择某规格的锂离子电池正极下方30cm处破坏电池外壳表面绝缘蓝膜,并用砂纸打磨以充分暴露外壳;电池外壳采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET,Polyethylene Terephthalate)薄膜包覆的方式进行绝缘防护。
S12:用砂纸将绝缘蓝膜破坏部分的电池外壳打磨干净,以充分暴露电池外壳;
S13:利用夹板5将导电铜片3紧贴于电池2外壳表面,从而增加电池外壳过流面积,同时避免电线虚接;
S14:采用隔热棉3覆盖电池表面,减少电池散热,从而防止过流面积过小导致产生局部热点;
S15:将绝缘橡胶4置于隔热棉外侧及电池2底部,避免漏电流产生。
S2:对锂离子电池连接试验外接电路,模拟外部施加的过电压。具体的:
S21:参见图3,电压源7与电池极耳及导电铜片之间通过1.5mm2铜线连接,在回路中设置10Ω的保护电阻6,限制回路导通后产生的电流;
S22:在连接外接电压源7时,采用直流电压源7提供电池极耳与外壳间过电压,外壳-正极过电压为在外壳与正极之间施加从外壳到正极电位降低的高电压,正极-外壳过电压为在正极与外壳之间施加从正极到外壳电位降低的高电压,外壳-负极过电压为在外壳与负极之间施加从外壳到负极电位降低的高电压,负极-外壳过电压为在负极与外壳之间施加从负极到外壳电位降低的高电压;
S23:当电流升高至10A以上并持续2分钟,关闭直流电压源7。
S3:测量绝缘失效过程中电压、电流、温度,观测电池正极、负极材料形貌,记录试验过程图像。具体的:
S31:采用功率分析仪8检测外壳-正极、外壳-负极以及正极-负极间电压;
S32:利用霍尔电流传感器测试试验外接电路的回路电流,并用功率分析仪采集电流数据。电流及电压采集分辨率为0.5s。
S33:参见图4,使用T型热电偶采集电池正面、背面、两极耳、底部与绝缘破坏处的温度,并使用数据记录仪记录温度数据,记录分辨率为0.5s。
S34:利用摄像头记录试验过程图像。
S35:采用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM),对过电压施加下电池热失控后的电池正极、负极材料形貌进行观测。
S36:采用X射线能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer,EDS)分析电池表面元素分布。
S37:利用欧姆定律计算电池外壳与极耳间电阻,欧姆定律为:
其中,R为电池外壳与极耳间电阻,单位:Ω;U为施加过电压后电池壳体与极耳间电压,单位:V;Iloop为电压源与电池外壳及极耳组成的回路电流,单位:A;R外电阻为铜导线电阻及接触电阻,单位Ω。
S4:根据记录下来的数据与信息针对性分析绝缘失效诱发的电池故障演变规律及内部反应机理。具体的:
S41:绝缘故障发生期间的图像信息用来分析锂电池在外壳和极耳间四种不同电激励施加方式下的典型故障行为。
S42:绝缘故障发生期间的电气特征响应,如电压、电流、电阻,用来分析电池正负极跳水及内部枝晶导通-熔断情况。
S43:绝缘故障发生期间的温度特征响应用来认识电池内部反应位点,电池温度及温度变化率可以认定电池是否发生热失控。
S44:绝缘故障发生后的电池形貌及元素分布可用来分析电池绝缘失效过程中的元素转移和枝晶生长情况。
本发明通过建立电激源作用回路模拟施加的等效外部过电压,实现通过简单易得的试验设备和测量手段,监测绝缘失效时的电压、电流、电阻、温度、图像和故障后的电池形貌、元素分布等数据和信息,支撑高压储能电池系统绝缘故障机理分析,试验可模拟电流从正极流向外壳(正极-外壳过电压)、从负极流向外壳(负极-外壳过电压)、从外壳流向正极(外壳-正极过电压)、从外壳流向负极(外壳-负极过电压)的四种绝缘失效时的电流流通情况。
以上仅就本发明的最佳实施例作了说明,但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅限于以上实施例,其具体结构允许有变化。但凡在本发明独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的,不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
Claims (10)
1.一种用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,其特征在于,包括以下步骤:
获取模拟高压电池储能系统的锂离子电池绝缘失效试验中电压、电流、温度、电阻以及电池图像;
根据电压、电流、温度与电阻以及电池图像分析得到绝缘失效诱发的电池故障演变规律及内部反应机理。
2.根据权利要求1所述的用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,其特征在于,获取模拟高压电池储能系统的锂离子电池绝缘失效试验中电压、电流、温度、电阻以及电池图像,包括以下步骤:
在去除绝缘蓝膜的锂离子电池外壳上布置用于模拟电池壳体绝缘失效的导电铜片;
连接用于模拟外部施加的过电压激励试验外接电路,进行锂离子电池绝缘失效试验,得到电压、电流、温度与电阻以及电池图像。
3.根据权利要求2所述的用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,其特征在于,在去除绝缘蓝膜的锂离子电池外壳上布置用于模拟电池壳体绝缘失效的导电铜片,包括以下步骤:
S11:在锂离子电池正极下方破坏电池外壳表面的绝缘蓝膜,并将电池外壳采用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜包覆;
S12:利用夹板将导电铜片紧贴于电池外壳表面;
S13:采用隔热棉覆盖电池表面;
S14:将绝缘橡胶置于隔热棉外侧及电池底部。
4.根据权利要求2所述的用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,其特征在于,连接用于模拟外部施加的过电压激励试验外接电路,包括以下步骤:
将电池极耳及导电铜片与用于提供电池极耳与外壳间过电压的电压源相连。
5.根据权利要求4所述的用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,其特征在于,导电铜片与电压源之间设置保护电阻。
6.根据权利要求4所述的用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,其特征在于,过电压包括外壳-正极过电压、正极-外壳过电压、外壳-负极过电压与负极-外壳过电压。
7.根据权利要求6所述的用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,其特征在于,外壳-正极过电压为在外壳与正极之间施加从外壳到正极电位降低的高电压,正极-外壳过电压为在正极与外壳之间施加从正极到外壳电位降低的高电压,外壳-负极过电压为在外壳与负极之间施加从外壳到负极电位降低的高电压,负极-外壳过电压为在负极与外壳之间施加从负极到外壳电位降低的高电压。
8.根据权利要求2所述的用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,其特征在于,连接用于模拟外部施加的过电压激励试验外接电路,进行锂离子电池绝缘失效试验,得到电压、电流、温度与电阻以及电池图像,包括以下步骤:
当电流升高至设定值以上并稳定后,关闭直流电压源,检测外壳-正极、外壳-负极以及正极-负极间电压;
测试试验外接电路的回路电流,并用功率分析仪采集电流;
采集电池正面、背面、两极耳、底部与绝缘破坏处的温度;
对过电压施加下电池热失控后的电池正极、负极材料形貌进行观测,获得电池形貌;
分析电池表面元素分布;
计算电池外壳与极耳间电阻。
9.根据权利要求8所述的用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,其特征在于,采用下式计算电池外壳与极耳间电阻:
其中,R为电池外壳与极耳间电阻,单位:Ω;U为施加过电压后电池壳体与极耳间电压,单位:V;Iloop为电压源与电池外壳及极耳组成的回路电流,单位:A;R外电阻为铜导线电阻及接触电阻,单位Ω。
10.根据权利要求8所述的用于储能系统绝缘故障机理研究的试验测量及分析方法,其特征在于,根据电压、电流、温度与电阻以及电池图像分析绝缘失效诱发的电池故障演变规律及内部反应机理,包括以下步骤:
根据电压、电流与电阻,分析电池正负极跳水及内部枝晶导通-熔断情况;
根据温度确定电池内部反应位点,电池温度及温度变化率,判断电池是否发生热失控;
根据电池形貌及电池表面元素分布,分析电池绝缘失效过程中的元素转移和枝晶生长情况。
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