CN209641791U - 热失控模拟装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种热失控模拟装置，热失控模拟装置包括待测储能单元，包括正极端子和负极端子；发热电阻，连接于正极端子和负极端子之间以形成测试电路；开关装置，连接于测试电路以控制测试电路的通断。本实用新型的发热电阻直接以待测储能单元作为电源，无需外接电源，能够简化热失控模拟装置的结构，同时还可以将发热电阻和待测储能单元设置于同一个壳体内，保证热失控模拟装置的气密性。发热电阻设置于待测储能单元本体外，并以待测储能单元为电源更加接近待测储能单元的实际应用状况，无需向待测储能单元输入额外的能量，也不会引起较大的能量损耗，令热失控模拟实验的结果更加准确。

Description

热失控模拟装置

技术领域

本实用新型涉及储能设备技术领域，尤其涉及一种热失控模拟装置。

背景技术

“热失控”是指单体电池放热连锁反应引起电池温度不可控上升的现象。通常当电池发生热失控时，它将通过导电、对流和辐射热传递模式将热量传递到相邻的电池。通过热传递，单个电池中的热失控可能传播到周围的电池，容易引起反应发生火灾，或者在非常罕见的情况下发生爆炸。随着动力电池能量密度的大幅提高，其热失控乃至热扩散发生后的危害也越趋严重，为降低市售产品的风险，保障人民群众的生命财产安全，动力电池在大规模生产销售之前，必须要通过热失控和热扩散相关的安全性测试验证。

目前，现有技术一般选用过充、加热及针刺等三种方法触发热失控。其中传统的加热触发装置使用外部电芯供电，利用陶瓷等加热板对电池加热触发热失控。目前新型的电池包或电池模组对气密性有严格要求的，使用传统的加热、针刺或者过充方式需要对电池包括或电池模组进行改造。过充、传统加热需要外部引线连接外部电源，针刺需要在箱体上预留穿钉孔或者使用特殊密封，不能够满足气密性要求。

因此，亟需一种新的热失控模拟装置。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种热失控模拟装置，旨在简化热失控模拟装置的结构，满足气密性要求。

本实用新型实施例一方面提供了一种热失控模拟装置，包括：待测储能单元，包括正极端子和负极端子；发热电阻，连接于正极端子和负极端子之间以形成测试电路；开关装置，连接于测试电路以控制测试电路的通断。

根据本实用新型的一个方面，发热电阻包括相对设置的传热面和隔热面，待测储能单元包括贴合面，传热面和贴合面相互接触设置。

根据本实用新型的一个方面，传热面的面积为贴合面面积大小的50％～90％。

根据本实用新型的一个方面，传热面设置有绝缘层，以使发热电阻和待测储能单元绝缘接触。

根据本实用新型的一个方面，隔热面上设置有隔热涂层，或者隔热面远离传热面的一侧设置有隔热垫。

根据本实用新型的一个方面，传热面和隔热面之间的距离为0.5mm～4mm。

根据本实用新型的一个方面，发热电阻由电阻丝沿预设路径弯折形成。

根据本实用新型的一个方面，发热电阻由电阻片沿直线路径延伸呈片状，并与待测储能单元的至少一个外侧面贴合设置；

或者，发热电阻由电阻片延伸呈具有开口的U型，至少部分待测储能单元由开口位于发热电阻内；

或者，发热电阻由电阻片沿多个相继连接的U型路径延伸成型，并与待测储能单元的至少一个外侧面接触设置；

或者，发热电阻由电阻片绕轴卷绕形成，并与待测储能单元的至少一个外侧面接触设置，且发热电阻在外侧面上的正投影呈螺旋状。

根据本实用新型的一个方面，开关装置连接于热失控模拟装置的控制系统，以使控制系统能够控制开关装置的通断；

或者，热失控模拟装置还包括控制器，连接于开关装置，控制器用于控制开关装置的通断。

根据本实用新型的一个方面，还包括信号采集单元，连接于待测储能单元，用于采集待测储能单元的温度和/或电压。

在本实用新型中，热失控模拟装置包括待测储能单元、发热电阻和开关装置，发热电阻连接于待测储能单元的正极端子和负极端子之间形成测试电路，开关装置控制测试电路的通断。发热电阻短路并利用待测储能单元供电而产生热量。本实用新型的发热电阻直接以待测储能单元作为电源，无需外接电源，能够简化热失控模拟装置的结构，同时还可以将发热电阻和待测储能单元设置于同一个壳体内，保证热失控模拟装置的气密性。发热电阻设置于待测储能单元本体外，并以待测储能单元为电源更加接近待测储能单元的实际应用状况，无需向待测储能单元输入额外的能量，也不会引起较大的能量损耗，令热失控模拟实验的结果更加准确。

附图说明

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是本实用新型实施例的一种热失控模拟装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的一种发热电阻的结构示意图；

图3是本实用新型实施例的一种发热电阻和待测储能单元的配合结构示意图；

图4是本实用新型另一实施例的一种发热电阻的结构示意图；

图5是本实用新型另一实施例的一种发热电阻和待测储能单元的配合结构示意图；

图6是本实用新型又一实施例的一种发热电阻的结构示意图；

图7是本实用新型又一实施例的一种发热电阻和待测储能单元的配合结构示意图；

图8是本实用新型又一实施例的一种发热电阻和待测储能单元的配合结构示意图；

图9是本实用新型再一实施例的一种发热电阻的结构示意图；

图10是本实用新型再一实施例的一种发热电阻和待测储能单元的配合结构示意图；

图11是本实用新型再一实施例的一种发热电阻的结构示意图；

图12是本实用新型再一实施例的一种发热电阻和待测储能单元的配合结构示意图；

图13是本实用新型再一实施例的一种发热电阻的结构示意图；

图14是本实用新型再一实施例的一种发热电阻和待测储能单元的配合结构示意图；

图15是本实用新型另一实施例的一种热失控模拟装置的结构示意图。

附图标记说明：

100、待测储能单元；

110、正极端子；120、负极端子；130、贴合面；

200、发热电阻；

210、传热面；220、隔热面；

300、开关装置；

400、端板；

500、缓冲垫。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。在附图和下面的描述中，至少部分的公知结构和技术没有被示出，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊；并且，为了清晰，可能夸大了部分结构的尺寸。此外，下文中所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下述描述中出现的方位词均为图中示出的方向，并不是对本实用新型的实施例的具体结构进行限定。在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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；可以是直接相连，也可以间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为了更好地理解本实用新型，下面结合图1至图15根据本实用新型实施例的热失控模拟装置进行详细描述。

图1为本实用新型实施例提供的一种热失控模拟装置的原理结构示意图，热失控模拟装置包括：待测储能单元100，包括正极端子110和负极端子120；发热电阻200，连接于正极端子110和负极端子120之间以形成测试电路；开关装置300，连接于测试电路以控制测试电路的通断。

在本实用新型中，热失控模拟装置包括待测储能单元100、发热电阻200和开关装置300，发热电阻200连接于待测储能单元100的正极端子110和负极端子120之间形成测试电路，开关装置300控制测试电路的通断，发热电阻200短路利用待测储能单元100供电而产生热量。本实用新型的发热电阻200直接以待测储能单元100作为电源，无需外接电源，能够简化热失控模拟装置的结构，同时还可以将发热电阻200和待测储能单元100设置于同一个壳体内，保证热失控模拟装置的气密性。发热电阻200设置于待测储能单元100本体外，并以待测储能单元100为电源更加接近待测储能单元100的实际应用状况，无需向待测储能单元100输入额外的能量，也不会引起较大的能量损耗，令热失控模拟实验的结果更加准确。

其中，待测储能单元100的设置方式在此不做限定，例如，待测储能单元100可以为电芯，或者是由两个以上电芯构成的电池模组等。当待测储能单元100为单个电芯时，热失控模拟装置可以为装有发热电阻200和开关装置300的电池模组，发热电阻200和待测电芯直接设置在电池模组的壳体内，发热电阻200和待测储能单元100之间的距离更近，能够保证热失控实验中热量的传递效率，还能够满足热失控模拟装置的气密性要求。

在热失控模拟实验中，假设待测储能单元100的容量为Q(Ah)，假设发热电阻200电阻值为Rx；根据式(1-1)得到一系列电流值：

I＝U/Rx (1-1)

式(1-1)中，I为测试电路的电流，U为储能单元的电压。

发热电阻200短路释放的电能Q0为：

Q3＝Cp*m*ΔT (1-3)

Q4＝h*A1*Δt (1-4)

Q5＝ε*A2*σ*(T1^4-T2^4) (1-5)

电池由于放电带来的能量损耗为η：

其中，Q3为发热电阻200发热消耗能量、Cp为待测储能单元100的比热容，m为发热电阻200的重量，T1为热辐射结束时间，T2为热辐射开始时间，ΔT为发热电阻200的温升；Q4为热对流消耗能量、h为表面传热系数、A1为传热表面积、Δt为短路时间；Q5为热辐射消耗能量、ε为物体发射率、A2为热辐射表面积、σ为波尔兹曼常数5.67*10^-8W/(m^2*K^4)。

在热失控模拟实验中，电阻发热、热对流、热辐射等都会消耗待测储能单元100本身的能量。由于要保证大部分热能重新注入待测储能单元100，必须使得消耗能量尽可能小，即热对流、热辐射和发热电阻200发热带来的能耗要尽可能小。热对流、热辐射和发热电阻200发热带来的能耗要小于10％，优先的小于5％。该种热失控模拟触发装置最重要的能耗主体为发热电阻200。

发热电阻200的制造材料在此不做限定，优选的，发热电阻200选用耐高温、熔点较高的材料制作。如果发热电阻200的熔点低于待测储能单元100外壳，在发热电阻200发热的过程中可能会导致发热电阻200熔断，测试电路断开，热失控模拟实验失败。以上述实施例为例，当待测储能单元100为单个电芯，发热电阻200置于多个电芯组合形成的电池模组壳体内，而电池模组壳体选用金属铝材料时，由于金属铝的熔点为660℃，则发热电阻200的熔点必须大于660℃。

发热电阻200的阻值在此不做限定，优选的，发热电阻200的阻值可以为5mohm～100mohm。例如当待测储能单元100的电压U＝4.2V时，发热电阻200可选择为40mohm，则发热功率P＝U²/R＝441W。

在一些可选的实施例中，如图2至图14所示，发热电阻200包括相对设置的传热面210和隔热面220，待测储能单元100包括贴合面130，传热面210和贴合面130相互接触设置。在本实施例中，待测储能单元100和发热电阻200面面贴合设置，能够增加两者的接触面积，便于热传递，提高热量的传递效率。

传热面210和贴合面130的设置方式在此不做限定，在一些可选的实施例中，传热面210的面积为贴合面130面积大小的50％～90％。在这些可选的实施例中，传热面210的面积为贴合面130面积的50％～90％，防止由于传热面210的面积过小导致贴合面130局部受热，待测储能单元100受热不均匀，同时还能够避免传热面210过大，即热辐射表面积A2过大导致的能量损耗Q5过大。

进一步的，传热面210的表面设置有绝缘层，令发热电阻200和待测储能单元100绝缘接触。当待测储能单元100的外壳为金属时，传热面210的表面设置绝缘层，能够保证发热电阻200和待测储能单元100绝缘接触，防止发热电阻200和金属外壳电连接破坏测试电路，保证热失控模拟实验的正常有序进行。

其中，在传热面210的表面设置绝缘层的设置方式有多种，例如可以通过在传热面210上黏贴铁氟龙的方式，实现发热电阻200与待测储能单元100间的绝缘。也可以将发热电阻200封装在陶瓷中，令传热面210的表面涂覆有陶瓷绝缘层。还可以将发热电阻200封装在铜、铝或其它金属材料中，发热电阻200与金属材料间的绝缘通过灌装绝缘材料实现。或者在传热面210上涂覆绝缘漆，绝缘漆要保证一定的绝缘性和耐温性能，不能因高温导致传热面210的表面绝缘膜破损。

在另一些可选的实施例中，隔热面220的表面设置有隔热涂层，或者隔热面220远离传热面210的一侧设置有隔热垫。在热失控模拟实验中，发热电阻200通过传热面210和待测储能单元100相互接触，并通过传热面210向待测储能单元100传递热量，隔热面220上设置有隔热涂层，或者通过设置隔热垫，能够防止发热电阻200的热量由隔热面220消耗，保证待测储能单元100放电产生的热量能够重新注入待测储能单元100内部。

进一步的，为了减小能量消耗，发热电阻上除传热面120以外的表面均设置有隔热涂层，以进一步减少能量消耗。

为了保证热失控模拟实验和待测储能单元100的实际应用更贴近，当发热电阻200和待测储能单元100相互贴合时，发热电阻200的厚度应该较小，从而不会增大容纳待测储能单元100的壳体的体积。在一些优选的实施例中，传热面210和隔热面220之间的距离为0.5mm～4mm，即发热电阻200的厚度为0.5mm～4mm。进一步优选的，发热电阻200的厚度为1mm～3.5mm。

如图15所示，以待测储能单元100为单个电芯为例，多个电芯形成电池模组。发热电阻200和待测电芯相互贴合设置，发热电阻200的厚度(发热电阻200在图15中沿横向延伸的长度)应该不大于整个电池模组厚度(图15中两个端板400之间的沿横向距离)的1％；优选的，发热电阻200的厚度为整个电池模组厚度的0.3％。令发热电阻200可以直接设置在电池模组内，而不会带来电池模组厚度较大的变化，无需为了热失控模拟实验特制模组。例如厚度为355±1mm尺寸的电池模组，其长度公差/长度范围＝1/355＝0.3％，则发热电阻200的厚度应不大于355×0.01＝3.55mm，优选的发热电阻200的厚度为1mm。

发热电阻200的具体设置形式在此不做限定，发热电阻200可以由电阻丝沿预设路径弯折形成。例如发热电阻200由电阻丝沿预设路径缠绕呈盘状等。

在另一些可选的实施例中，如图2至图5所示，发热电阻200由电阻片沿直线路径延伸呈片状，并与待测储能单元100的至少一个外侧面贴合设置。此时，传热面210为发热电阻200与待测储能单元100相互接触的面，隔热面220为与传热面210相对的面。

或者，如图6和图7所示，发热电阻200由电阻片延伸呈具有开口的U型，至少部分待测储能单元100由开口位于发热电阻200内。在这些可选的实施例中，发热电阻200呈U型和待测储能单元100的三个面分别接触，能够增大发热电阻200和待测储能单元100的接触面积，提高热失控模拟实验效果。其中，传热面210呈U型并与待测储能单元100接触，隔热面220呈U型并与传热面210相对。

或者，如如图6和图8所示，发热电阻200由电阻片延伸呈U型，并贴合于储能单元的贴合面130。U型发热电阻200的侧面和储能单元的其中一个侧面相接触。其中，传热面210呈U型并与待测储能单元100的其中一个侧面接触，隔热面220呈U型并与传热面210相对。

或者，如图9至图12所示，发热电阻200由电阻片沿多个相继连接的U型路径延伸成型，并与待测储能单元100的至少一个外侧面接触设置。此时传热面210和隔热面220均由多个U型面相继连接形成。

当电阻片在其所在平面内沿相继连接的U型路径延伸成型时，如图9和图10所示，形成的发热电阻200呈板状，板状的发热电阻200与待测储能单元100的其中一个侧面接触。当电阻片在垂直于其所在平面内沿相继连接的U型路径延伸成型时，形成的发热电阻200形状如图11所示。

或者，如图13和图14所示，发热电阻200由电阻片绕轴卷绕形成，并与待测储能单元100的至少一个外侧面接触设置，且发热电阻200在外侧面上的正投影呈螺旋状。此时传热面210和隔热面220相对设置并均呈螺旋状。

在上述任一实施例中，开关装置300的控制方式在此不做限定，优选的开关装置300为自动控制方式，无需人为控制触发。

开关装置300可以直接连接于热失控模拟装置本身的控制系统，通过热失控模拟装置本身的控制系统来自动控制开关装置300的通断。例如。当热失控模拟装置为装有发热电阻200的电池模组时，开关装置300可以直接连接于电池模组的控制系统，通过电池模组的控制系统来控制开关装置300的通断。

在另一些可选的实施例中，还可以单独为开关装置300配备控制器，开关装置300连接于控制器，通过控制器自动控制开关装置300的通断。

此外，开关装置300的供电电源在此不做限定，开关装置300可以直接利用待测储能单元100供电，或者开关装置300外接电源均可。

开关装置300的体积在此不做限定，优选的，开关装置300的体积较小，且不大于待测储能单元100的体积，便于在有限的空间内进行装配。

在一些可选的实施例中，热失控模拟装置还包括信号采集单元，信号采集单元连接于待测储能单元100，用于采集待测储能单元100的温度和/或电压，便于用户及时获取热失控模拟实验的各项参数。当热失控模拟装置为装有发热电阻200的电池模组时，信号采集单元可以为电池模组本身的采集单元。信号采集单元用于采集待测电芯的温度和/或电压。

以图15为例，举例说明热失控模拟装置的设置方式，热失控模拟装置相当于设置有发热电阻200的电池模组，待测储能单元100为电芯，四个电芯设置在电池模组的壳体内，相邻的两个电芯之间设置有缓冲垫500。图15中最右侧的电芯为待测电芯，发热电阻200设置于待测电芯和壳体的端板400之间。当待测电芯为中间的两个电芯时，发热电阻200可以设置于待测电芯和缓冲垫500之间。发热电阻200的传热面210和待测电芯的外侧面相接触，传热面210的面积为待测电芯侧面面积的80％，传热面210的表面设置绝缘涂层。和传热面210相对设置的隔热面220表面设置隔热涂层，或者隔热面220和端板400之间设置有隔热垫。传热面210和隔热面220之间的距离，即发热电阻200的厚度为1.5mm。

在上述具体实施例中，发热电阻200直接设置在电池模组的壳体内，且发热电阻200的厚度较小，能够满足热失控模拟装置，即电池模组的气密性要求。发热电阻200以待测电芯直接作为电源，无需外接电源，能够简化热失控模拟装置的结构。发热电阻200以待测电芯为电源，并在待测电芯外部短路发热，更接近待测电芯的实际应用状况，令热失控模拟实验的结果更加准确。

本实用新型可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本实用新型的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本实用新型的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本实用新型的范围之中。

Claims (10)

1.一种热失控模拟装置，其特征在于，包括：

待测储能单元，包括正极端子和负极端子；

发热电阻，连接于所述正极端子和所述负极端子之间以形成测试电路；

开关装置，连接于所述测试电路以控制所述测试电路的通断。

2.根据权利要求1所述的热失控模拟装置，其特征在于，所述发热电阻包括相对设置的传热面和隔热面，所述待测储能单元包括贴合面，所述传热面和所述贴合面相互接触设置。

3.根据权利要求2所述的热失控模拟装置，其特征在于，所述传热面的面积为所述贴合面面积大小的50％～90％。

4.根据权利要求2所述的热失控模拟装置，其特征在于，所述传热面设置有绝缘层，以使所述发热电阻和所述待测储能单元绝缘接触。

5.根据权利要求2所述的热失控模拟装置，其特征在于，所述隔热面上设置有隔热涂层，或者所述隔热面远离所述传热面的一侧设置有隔热垫。

6.根据权利要求2所述的热失控模拟装置，其特征在于，所述传热面和所述隔热面之间的距离为0.5mm～4mm。

7.根据权利要求1所述的热失控模拟装置，其特征在于，所述发热电阻由电阻丝沿预设路径弯折形成。

8.根据权利要求1所述的热失控模拟装置，其特征在于，

所述发热电阻由电阻片沿直线路径延伸呈片状，并与所述待测储能单元的至少一个外侧面贴合设置；

或者，所述发热电阻由电阻片延伸呈具有开口的U型，至少部分所述待测储能单元由所述开口位于所述发热电阻内；

或者，所述发热电阻由电阻片沿多个相继连接的U型路径延伸成型，并与所述待测储能单元的至少一个外侧面接触设置；

或者，所述发热电阻由电阻片绕轴卷绕形成，并与所述待测储能单元的至少一个外侧面接触设置，且所述发热电阻在所述外侧面上的正投影呈螺旋状。

9.根据权利要求1所述的热失控模拟装置，其特征在于，

所述开关装置连接于所述热失控模拟装置的控制系统，以使所述控制系统能够控制所述开关装置的通断；

或者，所述热失控模拟装置还包括控制器，连接于所述开关装置，所述控制器用于控制所述开关装置的通断。

10.根据权利要求1所述的热失控模拟装置，其特征在于，还包括信号采集单元，连接于所述待测储能单元，用于采集所述待测储能单元的温度和/或电压。