CN108258337A - 一种阻止锂离子电池热失控的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阻止锂离子电池热失控的方法，在锂离子电池的正负极两端并联一支路，该支路由外电阻和电路开关控制元件串联组成，在锂离子电池中设置电压传感器以及温度传感器，用以感测锂离子电池的电压以及温度变化，并将锂离子电池的电压以及温度变化数据传输至数据处理器中；若锂离子电池发生内短路，数据处理器则切断锂离子电池的充电回路并发出信号指令至电路开关控制元件中，使得电路开关控制元件导通。本发明通过外部分流的方法，减小流经内电阻的电流，则能缓解内短路处局部最高温度的上升，使最高温度低于热失控的临界温度，则能避免热失控的产生。

Description

一种阻止锂离子电池热失控的方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种阻止锂离子电池热失控的方法。
背景技术
锂离子电池作为一种高能量密度、长寿命的能量存储载体，广泛运用在日常的可携带电子设备(尤其是智能手机)当中。然而，可携带电子设备(尤其是智能手机)的锂离子电池起火***事故时有发生，锂离子电池的安全问题会导致企业大量财产损失，威胁到使用人员生命安全，是一个亟待解决的问题。
锂离子电池起火***是热失控发展的结果。锂离子电池热失控的诱导因素主要有几种，(1)机械诱导，如针刺，挤压电池，导致隔膜破坏并引发内短路，最终导致热失控；(2)热诱导，如将电池置于高温环境中(如200℃)，隔膜因高温熔化引发内短路，最终导致热失控；(3)电诱导，如过充电，导致负极锂枝晶生长并刺破隔膜，引发内短路而最终导致热失控。可见，电池内短路是导致热失控的主要原因。并且，因内短路导致的热失控，也是最常见的一种情况。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种阻止锂离子电池热失控的方法，以提高锂离子电池使用的安全性。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种阻止锂离子电池热失控的方法，包括
在锂离子电池的正负极两端并联一支路，该支路由外电阻和电路开关控制元件串联组成，正常情况时，电路开关控制元件处于截止状态；
在锂离子电池中设置电压传感器以及温度传感器，用以感测锂离子电池的电压以及温度变化，并将锂离子电池的电压以及温度变化数据传输至数据处理器中，由数据处理器判断锂离子电池是否发生内短路；
若锂离子电池发生内短路，当电池处于充电状态时，数据处理器则先切断锂离子电池的充电主回路，再发出信号指令至电路开关控制元件中，使得电路开关控制元件导通，当电池处于放电或者静置状态时，数据处理器则直接发出信号指令至电路开关控制元件中，使得电路开关控制元件导通。
所述数据处理器判断锂离子电池是否发生内短路的方法为：
(1)电池电压小于设定阈值下限；
(2)电池电压变化过快，下降速度超过设定的电压U1，并持续1s时间；
(3)电池温度变化过快，上升速度超过设定的时间T1，并持续1s时间；
(4)电池电压变化过快，下降速度超过设定的电压U2，并持续1s时间；
(5)电池温度变化过快，上升速度超过设定的时间T2，并持续1s时间；
(6)电池温度超过80℃；
条件(1)～(3)中，只需要满足任意两个条件，即可判断为电池单元发生了内短路；条件(4)～(6)中，只需要满足任意一个条件，即可判断为电池单元发生了内短路。
电路开关控制元件处于截止状态时，其内阻不少于10千欧姆。
所述电路开关控制元件由独立的电源供电工作。
所述电路开关控制元件为开关三级管或者MOS管。
所述外电阻的阻值低于锂离子电池发生内短路时的阻值。
所述外电阻的表面被PMC材料包裹。
所述PMC材料采用的是固体升华气体的一次性相变材料。
所述PMC材料质量m的最低值由如下式计算而得：
Q0＝Im 2Rot
其中c是相变材料的综合比热容，ΔT是温度的变化，h1是单位质量的相变焓；Im是极限工况下，流经外电阻的电流，Ro是外电阻，t是从内短路开始到发生热失控所持续的时间。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
当电池发生内短路时，本发明通过外部分流的方法，减小流经内电阻的电流，则能缓解内短路处局部最高温度的上升，使最高温度低于热失控的临界温度(隔膜的熔化温度)，则能避免热失控的产生；即便不能阻止热失控，最低的效果也可以明显延迟热失控的发生，争取到进一步解决热失控的时间。另外，该发明只需要在原来锂离子电池的基础上，添加一个包裹着PCM材料的小阻值外电阻、一个电路开关控制元件以及电压温度传感器，数据处理器则属于原本设备自带，可见该方法操作性容易，成本低。
附图说明
图1为采用本发明方法后组成的电路示意图；
图2为锂离子电池发生“铝箔-阳极”内短路后，电池单元最高温度随着时间的变化趋势。图中给出了采用本发明的外短路分流法以及没有采用外短路分流法两种情况下，温度变化的模拟结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
在本实施例中，锂离子电池是由多个锂离子电池单元100所串联而成的，因此在本实施例提供的阻止锂离子电池热失控的方法中，在每一锂离子电池单元100的正负极两端均并联一支路，该支路由外电阻120和电路开关控制元件110串联组成，正常情况时，电路开关控制元件110处于截止状态。
在每一锂离子电池单元100中设置电压传感器以及温度传感器，用以感测锂离子电池单元100的电压以及温度变化，并将锂离子电池单元100的电压以及温度变化数据传输至数据处理器中，由数据处理器判断锂离子电池单元100是否发生内短路；
若锂离子电池单元100发生内短路，数据处理器则切断锂离子电池的充电回路并发出信号指令至对应的电路开关控制元件110中，使得电路开关控制元件110导通。
采用本实施例提供的阻止锂离子电池热失控的方法后组成的测试电路图具体如图1所示。
正常使用时候，电路开关控制元件110处于截止状态(关闭状态)，处于截止状态时，内阻应大于10千欧，根据实际情况，可以选取为开关三级管或者MOS管等，此时，小阻值外电阻120相当于处于断路状态，以不影响每一锂离子电池单元100的正常运行。
而该电路开关控制元件110则是采用额外的独立电源供电，如纽扣电池等，以保证电路开关控制元件110不受锂离子电池主电路以及充电回路的影响，保证电路开关控制元件110能够独立工作。
具体地，数据处理器判断锂离子电池单元100是否发生内短路的方法为：
(1)锂离子电池单元100电压小于设定阈值下限。
(2)锂离子电池单元100电压变化过快，下降速度超过U1(如0.2V/s)，并持续1s时间。
(3)锂离子电池单元100温度变化过快，上升速度超过T1(如1℃/s)，并持续1s时间。
(4)锂离子电池单元100电压变化过快，下降速度超过U2(如0.5V/s)，并持续1s时间。
(5)锂离子电池单元100温度变化过快，上升速度超过T2(如4℃/s)，并持续1s时间。
(6)锂离子电池单元100温度超过80℃。
条件(1)～(3)中，只需要满足任意两个条件，即可判断为锂离子电池单元100发生了内短路；条件(4)～(6)中，只需要满足任意一个条件，即可判断为锂离子电池单元100发生了内短路，并向对应的电路开关控制元件120发出设定的指令。其中，因实际中所采用的电池以及温度采集点的各不相同，数值U1、T1、U2、T2应该根据实验测量数据或者出厂数据再进行调整。
当数据处理器检测到某个锂离子电池单元100发生内短路的时候，若电池处于充电状态，先切断整个设备的充电电路，并开启对应的电路开关控制元件120，将该发生内短路的锂离子电池单元100强行外短路。此刻，该发生内短路的锂离子电池单元100的内短路电流被分流到小阻值外电阻110，锂离子电池单元100局部产热相对减小，局部温度上升得到缓解。从图2中两种不同情况下，温度变化对比的模拟结果可以看出。
优选地，上述的外电阻110采用PCM材料包裹，以防止外电阻110温度过高诱发危险，PCM材料采用的是固体升华气体的一次性相变材料。同时，由于PCM材料的质量是影响外电阻110温度高低的重要因素，申请人经过大量的研究，并在一次偶然的实验中意外发现，PCM材料的质量最低值，可通过如下公式计算而得：
Q0＝Im 2Rot
其中，c是相变材料的综合比热容，ΔT是温度的变化，h1是单位质量的相变焓。Im是极限工况下，流经外电阻的电流，Ro是外电阻，t是从内短路开始到发生热失控所持续的时间。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种阻止锂离子电池热失控的方法，其特征在于，所述方法包括
在锂离子电池的正负极两端并联一支路，该支路由外电阻和电路开关控制元件串联组成，正常情况时，电路开关控制元件处于截止状态；
在锂离子电池中设置电压传感器以及温度传感器，用以感测锂离子电池的电压以及温度变化，并将锂离子电池的电压以及温度变化数据传输至数据处理器中，由数据处理器判断锂离子电池是否发生内短路；
若锂离子电池发生内短路，当电池处于充电状态时，数据处理器则先切断锂离子电池的充电主回路，再发出信号指令至电路开关控制元件中，使得电路开关控制元件导通，当电池处于放电或者静置状态时，数据处理器则直接发出信号指令至电路开关控制元件中，使得电路开关控制元件导通。
2.如权利要求1所述的阻止锂离子电池热失控的方法，其特征在于，所述数据处理器判断锂离子电池是否发生内短路的方法为：
(1)电池电压小于设定阈值下限；
(2)电池电压变化过快，下降速度超过设定的电压U1，并持续1s时间；
(3)电池温度变化过快，上升速度超过设定的时间T1，并持续1s时间；
(4)电池电压变化过快，下降速度超过设定的电压U2，并持续1s时间；
(5)电池温度变化过快，上升速度超过设定的时间T2，并持续1s时间；
(6)电池温度超过80℃；
条件(1)～(3)中，只需要满足任意两个条件，即可判断为电池单元发生了内短路；条件(4)～(6)中，只需要满足任意一个条件，即可判断为电池单元发生了内短路。
3.如权利要求1所述的阻止锂离子电池热失控的方法，其特征在于，电路开关控制元件处于截止状态时，其内阻不少于10千欧姆。
4.如权利要求1所述的阻止锂离子电池热失控的方法，其特征在于，所述电路开关控制元件由独立的电源供电工作。
5.如权利要求1或3或4所述的阻止锂离子电池热失控的方法，其特征在于，所述电路开关控制元件为开关三级管或者MOS管。
6.如权利要求1所述的阻止锂离子电池热失控的方法，其特征在于，所述外电阻的阻值低于锂离子电池发生内短路时的阻值。
7.如权利要求1或6所述的阻止锂离子电池热失控的方法，其特征在于，所述外电阻的表面被PMC材料包裹。
8.如权利要求7所述的阻止锂离子电池热失控的方法，其特征在于，所述PMC材料采用的是固体升华气体的一次性相变材料。
9.如权利要求8所述的阻止锂离子电池热失控的方法，其特征在于，所述PMC材料质量m的最低值由如下式计算而得：
Q0＝Im 2Rot
其中，c是相变材料的综合比热容，ΔT是温度的变化，h1是单位质量的相变焓；Im是极限工况下，流经外电阻的电流，Ro是外电阻，t是从内短路开始到发生热失控所持续的时间。
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