CN112098852B - 一种热失控下锂电池产气速率的分析方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热失控下锂电池产气速率的分析方法及其装置,方法包括:将切割顶盖的单体电芯放入加热装置中进行加热,采集压力信息和温度信息;检测单体电芯随温度的状态变化,获得单体电芯自放热开始温度和热失控发生临界点温度;在单体电芯自起始至达到自放热开始温度的时间段内,计算获得加热装置内电解液蒸汽压与温度的关系;在单体电芯从自放热开始温度到热失控发生临界点温度的时间段内,根据电解液蒸汽压计算获得产气引起的压力与温度的关系;根据产气引起的压力与温度的关系计算单体电芯产气速率与温度的关系;加入电解液蒸汽压对产气过程进行分析,获得的单体电芯产气速率更加准确,为锂电池热失控预警提供更准确的理论指导。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域,尤其涉及一种热失控下锂电池产气速率的分析方法及其装置。
背景技术
近年来,随着环境问题日益严重,石油等不可再生能源的逐渐枯竭,人类对新能源汽车的需求日益增加。由于锂离子电池具有能量密度大、输出功率高、使用寿命长、自放电率低、工作温度范围宽、绿色无污染等优点,其广泛应用于新能源汽车。然而,近年来,电动汽车电池***的热失控事故层出不穷,危害了人们的生命财产安全,同时打击了人们对电动汽车的信心。
锂离子电池的热失控发生过程中,电池内部会发生一系列化学反应,这些反应产生大量的热量,同时伴随着很多可燃气体的产生,最终导致电池发生热失控造成起火***等安全事故。为了更好地预警电池发生热失控,需要对电池热失控发生前进行预警,通常的预警包括温度预警与气体预警,单一的预警方式无法有效地进行预警,两种方式的预警逻辑更加能够保证电池安全高效地运行。因此对电池的热失控的产气规律进行研究,能够有效的为电池预警安全提供理论依据,从而保证锂离子电池的安全性。
目前传统的实验方法,对于电池热失控过程中的产气过程,通常是将电池直接放在压力容器里面直接进行实验,通过压力变化来计算电池的产气速率,然而这样的过程存在的缺陷在于忽略了电解液的蒸汽压。事实上在压力容器内部的电解液的蒸汽压在整个压力的构成中是不可忽略的。因此传统的实验方法,对于电池产气速率的计算准确性不高。
发明内容
本发明提供了一种热失控下锂电池产气速率的分析方法及其装置,以解决现有技术中存在的对于电池产气速率的计算准确性不高的问题。
一种热失控下锂电池产气速率的分析方法,包括:
将切割顶盖的单体电芯放入加热装置中进行加热,加热过程中采集加热装置内的压力信息和温度信息;
检测所述单体电芯随温度的状态变化,获得所述单体电芯自放热开始温度和热失控发生临界点温度;
在所述单体电芯自起始至达到自放热开始温度的时间段内,计算获得加热装置内电解液蒸汽压与温度的关系;
在所述单体电芯热从自放热开始温度到热失控发生临界点温度的时间段内,根据所述电解液蒸汽压计算获得产气引起的压力与温度的关系;
根据产气引起的压力与温度的关系计算获得单体电芯产气速率与温度的关系。
在一些实施例中,计算获得加热装置内电解液蒸汽压与温度的关系,包括:
计算恒容条件下的空气压强;
根据加热装置内的压力和所述空气压强,计算获得电解液蒸汽压;
通过Antoine方程进行拟合计算获得电解液蒸汽压与温度的关系。
在一些实施例中,恒容条件下的空气压强通过以下公式进行计算:
在一些实施例中,所述电解液蒸汽压通过以下公式进行计算:
在一些实施例中,电解液蒸汽压与温度的关系通过以下方程进行表征:
在一些实施例中,产气引起的压力通过以下公式进行计算:
在一些实施例中,产气引起的压力与温度的关系通过以下方程进行表征:
在一些实施例中,单体电芯产气速率与温度的关系通过以下方程表征:
一种用于分析热失控下锂电池产气速率的装置,包括加热装置、温度检测装置、压力检测装置以及控制装置;
所述加热装置用于对切割顶盖的单体电芯进行加热,所述温度检测装置用于采集所述加热装置内的温度信息,所述压力检测装置用于采集所述加热装置内的压力信息;
所述控制装置用于获取所述单体电芯自放热开始温度和热失控发生临界点温度,在所述单体电芯自起始至达到自放热开始温度的时间段内,计算获得加热装置内电解液蒸汽压与温度的关系,在所述单体电芯从自放热开始温度到热失控发生临界点温度的时间段内,根据所述电解液蒸汽压计算获得产气引起的压力与温度的关系,根据产气引起的压力与温度的关系计算单体电芯产气速率与温度的关系。
在一些实施例中,所述加热装置为绝热量热仪。
本发明提供的热失控下锂电池产气速率的分析方法及其装置,加入电解液蒸汽压对电池的产气过程进行分析,获得的单体电芯产气速率更加准确,为锂电池热失控预警提供更准确的理论指导。
附图说明
图1为本发明提供的热失控下锂电池产气速率的分析方法一种实施例的流程图。
图2为本发明提供的热失控下锂电池产气速率的分析方法中计算获得加热装置内电解液蒸汽压与温度的关系一种实施例的流程图。
图3和图4为本发明提供的热失控下锂电池产气速率的分析方法一种应用场景下电池温度、加热装置内压力随时间变化曲线图。
图5为本发明提供的热失控下锂电池产气速率的分析方法一种应用场景下电解液蒸汽压随温度变化的拟合值与实验值示意图。
图6为本发明提供的热失控下锂电池产气速率的分析方法一种应用场景下热失控时气体压力随温度变化示意图。
图7为本发明提供的热失控下锂电池产气的分析方法一种应用场景下热失控产气速率随温度变化的拟合值和实验值示意图。
图8为本发明提供的用于分析热失控下锂电池产气速率的装置一种实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案,下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
在一些实施例中,参考图1,提供一种热失控下锂电池产气速率的分析方法,包括:
步骤S101,将切割顶盖的单体电芯放入加热装置中进行加热,加热过程中采集加热装置内的压力信息和温度信息;
步骤S102,检测所述单体电芯随温度的状态变化,获得所述单体电芯自放热开始温度和热失控发生临界点温度;
步骤S103,在所述单体电芯自起始至达到自放热开始温度的时间段内,计算获得加热装置内电解液蒸汽压与温度的关系;
步骤S104,在所述单体电芯从自放热开始温度到热失控发生临界点温度的时间段内,根据所述电解液蒸汽压计算获得产气引起的压力与温度的关系;
步骤S105,根据产气引起的压力与温度的关系计算获得单体电芯产气速率与温度的关系。
上述实施例提供的锂电池热失控产气规律的计算方法,加入电解液蒸汽压对电池的产气过程进行分析,获得的单体电芯产气速率更加准确,为锂电池热失控预警提供更准确的理论指导。
具体地,执行步骤S101,选取一单体电芯,使用切割机切去单体电芯上的顶盖,放入气密性良好的加热装置中进行加热。切割顶盖后的单体电芯,可以更好地释放电解液,加热过程中采集加热装置内的压力信息和温度信息。
进一步地,执行步骤S102,在加热过程中,检测单体电芯的状态变化,包括自放热开始、到达热失控临界点、热失控发生,通过温度传感器检测加热装置中的温度,获得单体电芯自放热开始温度和热失控发生临界点温度,同时通过压力传感器检测加热过程中加热装置内的压力变化。
进一步地,执行步骤S103,在单体电芯自起始时刻至热失控发生临界点温度的时间段内,此时未发生自放热反应,因此未产生气体,加热装置内的压力升高均是由于电解液蒸汽压与温度升高造成的,参考图2,计算获得加热装置内电解液蒸汽压与温度的关系,包括:
步骤S1031,计算恒容条件下的空气压强;
步骤S1032,根据加热装置内的压力和所述空气压强,计算获得电解液蒸汽压;
步骤S1033,通过Antoine方程进行拟合计算获得电解液蒸汽压与温度的关系。
步骤S1031中,恒容条件下的空气压强通过以下公式进行计算:
步骤S1032中,由于加热装置内的压力升高均是由于电解液蒸汽压与温度升高造成的,由此可得:
进一步地可得,所述电解液蒸汽压通过以下公式进行计算:
步骤S1033中,通过Antoine方程进行拟合计算获得电解液蒸汽压与温度的关系,电解液蒸汽压与温度的关系通过以下方程进行表征:
因此,产气引起的压力通过以下公式进行计算:
对于热失控产生的气体,满足理想气体状态方程,产气引起的压力与温度的关系通过以下方程进行表征:
步骤S105中,对于产气速率n,采用Arrhenius方程进行拟合,单体电芯产气速率与温度的关系通过以下方程表征:
由此可得,单体电芯产气速率与温度的关系。
以下通过具体的应用场景对锂电池热失控产气规律的分析方法做进一步说明。
以2.6Ah三元(NCM811)/石墨电池,50%SOC的电池为例,将该电池切割,放置于封闭的绝热加速量热仪中,调试与校准温度传感器与压力传感器,启动绝热加速量热仪。
获取电芯温度T、绝热加速量热仪内的压力P随时间t的变化曲线图,同时获取压力P随着电池温度T的变化,参考图3和图4,该电池的自放热开始温度为127.67 ℃,热失控发生临界点温度为246.70 ℃,最高温度为370.62 ℃;从图4中可以看出整个腔体内部的压力变化根据电池温度的划分,大致可以分为四个阶段:第一阶段:自起始至达到自放热开始温度的时间段内,此阶段未发生自放热反应,腔体内的压力构成是由空气压强与电解液蒸汽压;第二阶段:从自放热开始温度到热失控发生临界点温度的时间段内,此阶段的压力的构成包括电池热失控产气引起的压力、空气压强与电解液蒸汽压;第三阶段:当温度达到热失控发生临界点温度的时刻,此阶段为压力突变阶段,该阶段电池温度保持不变压力发生突变,该电池压力上升2Mpa;第四阶段:从热失控发生临界点温度到最大温度的时间段内,压力与温度呈现线性的关系,此阶段持续时间较短。
参考图5,第一阶段的电解液蒸汽压,通过公式(3)进行求解,根据密闭空间内电解液蒸汽压满足Antoine方程的形式,如公式(4)所示,经过迭代拟合可得到电解液蒸汽压:
对于第二阶段,通过公式(6)求解产气引起的压力,如图6所示。
联立公式(7)和公式(8)获得产气速率n随温度T的变化关系:
如图7所示,进而获得整个阶段的产气规律:
在一些实施例中,参考图8,还提供一种用于分析锂电池热失控产气规律的装置,包括加热装置1、温度检测装置2、压力检测装置3以及控制装置4;
加热装置1用于对切割顶盖的单体电芯进行加热,温度检测装置2用于检测加热装置1内的温度,压力检测装置3用于检测加热装置1内的压力;
控制装置4用于获取所述单体电芯自放热开始温度和热失控发生临界点温度,在所述单体电芯自起始至达到自放热开始温度的时间段内,计算获得加热装置内电解液蒸汽压与温度的关系,在所述单体电芯从自放热开始温度到热失控发生临界点温度的时间段内,根据所述电解液蒸汽压计算获得产气引起的压力与温度的关系,根据产气引起的压力与温度的关系计算单体电芯产气速率与温度的关系。
在一些实施例中,加热装置1为绝热量热仪。
在一些实施例中,控制装置4计算恒容条件下的空气压强;根据加热装置内的压力和所述空气压强,计算获得电解液蒸汽压;通过Antoine方程进行拟合计算获得电解液蒸汽压与温度的关系。
在一些实施例中,控制装置4通过公式(1)计算恒容条件下的空气压强,通过公式(3)计算电解液蒸汽压,通过公式(4)计算电解液蒸汽压与温度的关系,通过公式(6)计算产气引起的压力,通过公式(7)计算产气引起的压力与温度的关系,通过公式(8)计算单体电芯产气速率与温度的关系。
本发明提供的热失控下锂电池产气的分析方法及其装置,加入电解液蒸汽压对电池的产气过程进行分析,获得的单体电芯产气速率更加准确,为锂电池热失控预警提供更准确的理论指导。
尽管已描述了本发明的优选实施例,但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念,则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以,所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种热失控下锂电池产气速率的分析方法,其特征在于,包括:
将切割顶盖的单体电芯放入加热装置中进行加热,加热过程中采集加热装置内的压力信息和温度信息;
检测所述单体电芯随温度的状态变化,获得所述单体电芯自放热开始温度和热失控发生临界点温度;
在所述单体电芯自起始至达到自放热开始温度的时间段内,计算获得加热装置内电解液蒸汽压与温度的关系,包括:计算恒容条件下的空气压强;根据加热装置内的压力和所述空气压强,计算获得电解液蒸汽压;通过Antoine方程进行拟合计算获得电解液蒸汽压与温度的关系,所述电解液蒸汽压通过以下公式进行计算:
在所述单体电芯从自放热开始温度到热失控发生临界点温度的时间段内,基于理想气体状态方程,根据所述电解液蒸汽压计算获得产气引起的压力与温度的关系;其中,产气引起的压力通过以下公式进行计算:
采用Arrhenius方程进行拟合,根据产气引起的压力与温度的关系计算获得单体电芯产气速率与温度的关系。
6.一种用于分析热失控下锂电池产气速率的装置,其特征在于,包括加热装置、温度检测装置、压力检测装置以及控制装置;
所述加热装置用于对切割顶盖的单体电芯进行加热,所述温度检测装置用于采集所述加热装置内的温度信息,所述压力检测装置用于采集所述加热装置内的压力信息;
所述控制装置用于获取所述单体电芯自放热开始温度和热失控发生临界点温度,在所述单体电芯自起始至达到自放热开始温度的时间段内,计算获得加热装置内电解液蒸汽压与温度的关系,包括:计算恒容条件下的空气压强;根据加热装置内的压力和所述空气压强,计算获得电解液蒸汽压;通过Antoine方程进行拟合计算获得电解液蒸汽压与温度的关系,所述电解液蒸汽压通过以下公式进行计算:
在所述单体电芯从自放热开始温度到热失控发生临界点温度的时间段内,基于理想气体状态方程,根据所述电解液蒸汽压计算获得产气引起的压力与温度的关系;其中,产气引起的压力通过以下公式进行计算:
采用Arrhenius方程进行拟合,根据产气引起的压力与温度的关系计算单体电芯产气速率与温度的关系。
7.根据权利要求6所述的用于分析热失控下锂电池产气速率的装置,其特征在于,所述加热装置为绝热量热仪。
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