一种快速判断并联电连接对电池组系统热扩散作用的方法

技术领域

本发明属于锂离子电池检测技术领域，特别是一种快速判断并联电连接对电池组系统热扩散作用的方法。

背景技术

锂离子电池在电动汽车及储能领域得到广泛应用，而电池热失控以及热扩散所导致的安全事故又频频发生，成为现在锂离子电池应用中需要解决的重要问题。

对于锂离子电池热失控及热扩散的机理层面的研究，如冯旭宁、王青松等都系统的研究了锂离子电池热失控的机理，包括热失控发生发展的过程、热失控温度及产热特征、热失控反应机理等，从而清晰的指明了电池单体热失控的边界，这极大的促进了对电池安全性的理解以及电池安全性技术的提升。另一方面，在电池系统集成技术方面也不断前进，通过研究隔热材料、阻燃材料、耐压材料等对电池热失控的热量传播进行有效阻断，从而切断电池的热扩散行为；也有研究则是通过快速疏导电池热失控释放的热量，从而降低其对其他电池单体的加热影响，避免或延缓其他电池单体达到热失控发生的临界条件来阻断或延缓热扩散的发生。

这些研究大都是从热的角度来研究电池的热失控及热扩散，而在电池系统层面，大部分电池都需要通过串并联来达到需要的电压和能量要求。而这样组合的电池中有一只或几只电池发生热失控时，则通常伴随着热失控电池内短路的发生，对于并联电池则会造成其他并联电池的放电效应。而这样的效应往往对热失控的剧烈程度以及热扩散有影响。既然这样的放电效应对热失控及热扩散有影响，那么通过系统的研究这种影响机制来优化电连接的设计，将有可能帮助我们进一步提升电池的安全性，提高其阻断电池热扩散的能力。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术中所述的问题，提供一种快速判断并联电连接对电池组系统热扩散作用的方法，通过对电池基本能量的测试分析，即可快速获得并联电连接在电池组及系统的热扩散过程中的影响，为更安全的电池组设计，尤其是电连接设计提供了技术支持。

一种快速判断并联电连接对电池组系统热扩散作用的方法，包括以下步骤：

S1、测试电池在SOC＝100％状态下的最大放电能量E

S2、测试电池在不同荷电状态下的热失控状态下释放的能量Q

S3、每只电池在不同荷电状态下所释放的全部能量为E

在上述方案中，步骤S1中，测试电池的最大放电能量E

在上述方案中，步骤S2中，测试电池在不同荷电状态下的热失控状态下释放的能量Q

其中，m为电池重量，W为加热量；

在温度小于最高加热温度T时，比热容随温度变化很小可以忽略，取其平均值作为电池的比热容C

然后将电池的SOC调整至n％，其方法为：先将电池充满电，即SOC＝100％，然后使用1C恒流放电60*(1-n％)min，即能将电池的SOC调整至n％；

将电池调整至目标SoC后，称量电池质量m,然后将电池置于加速绝热量热仪中，进行电池热失控测试，通过加速绝热量热仪对电池进行加热，比较电池温升速率dT/dt与电池的自产热温升速率限值onset，当电池温升速率dT/dt＞onset时，表明电池内发生连环反应，加速绝热量热仪停止加热，进入绝热状态，记录电池温度为T

Q

在上述方案中，电池在发生热失控时存在下列五种情况：

C1、电池热失控释放的能量Q

C2、电池热失控释放的能量Q

C3、电池热失控释放的能量Q

C4、电池热失控释放的能量Q

C5、电池热失控释放的能量Q

本发明具有的有益效果为：本发明的快速判断并联电连接对电池组系统热扩散作用的方法，通过对电池放电释放的能量E

附图说明

图1为测试电池在热失控状态下释放的能量的流程图。

图2为得到的电池热失控曲线图。

图3为在C1中，电池释放电能及热失控释放能量的曲线图。

图4为在C2中，电池释放电能及热失控释放能量的曲线图。

图5为在C3中，电池释放电能及热失控释放能量的曲线图。

图6为在C4中，电池释放电能及热失控释放能量的曲线图。

图7为在C5中，电池释放电能及热失控释放能量的曲线图。

图8为应用例1中，电池释放电能及热失控释放能量的曲线图。

图9为应用例2中，电池释放电能及热失控释放能量的曲线图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种快速判断并联电连接对电池组系统热扩散作用的方法，包括以下步骤：

S1、测试电池在SOC＝100％状态下的最大放电能量E

将电池单体连接至充放电设备，通过1C恒流放电至放电截止电压；静置时间30min；再通过1C恒流充电至充电截止电压后转为恒压充电，至充电电流降为0.05C；静置时间30min；再通过1C恒流放电至放电截止电压，并以此次放电的电量作为电池的最大放电能量E

S2、测试电池在不同荷电状态下的热失控状态下释放的能量Q

要先检测电池的比热容C

其中，m为电池重量，Cp为电池的比热容，W为加热消耗的能量；

因为在温度小于最高加热温度60℃时，比热容随温度变化很小可以忽略，所以取其平均值作为电池的比热容C

然后将电池的SOC调整至n％，其方法为：先将电池充满电，电池充满电的方法和上述的方法相同，可以采用恒流充电的方法充电之介质电压后转为恒压充电；充满电后，使用1C恒流放电60*(1-n％)min，即能将电池的SOC调整至n％。在本方法中，通常需要调整电池到不同的SoC状态，一般包括0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％，SoC的间隔越小，得到的结果也将越准确。

将电池调整至目标SoC后，称量电池质量m，然后将电池置于加速绝热量热仪中，进行电池热失控测试，通过加速绝热量热仪对电池进行加热，比较电池温升速率dT/dt与电池的自产热温升速率限值onset，onset可以设定为0.02℃/min；当电池温升速率dT/dt＞onset时，表明电池内发生连环反应，加速绝热量热仪停止加热，进入绝热状态，记录电池温度为T1，电池在绝热状态下释放热量，温度持续升高，电池温度达到T2时会进入热失控状态，电池持续热失控状态，温度快速升高，检测热失控状态的最高温度T3，计算出电池的热失控状态下释放的能量Q

Q

在加热的过程中，如果电池的温度大于T

在进入绝热状态后，如果dT/dt重新小于onset，说明电池并未进入热失控状态，则重新返回到加热状态，对电池进行加热，直至dT/dt＞onset时，重新进入绝热状态，检测电池热失控状态的最高温度T

热失控结束后，通过电池的热失控曲线计算出电池的热失控状态下释放的能量Q

Q

S3、每只单体电池在满电条件下热失控释放的能量用Q表示，对于并联模组，其能量释放来源于放电释放的能量E

C1、电池热失控释放的能量Q

C2、电池热失控释放的能量Q

C3、电池热失控释放的能量Q

C4、电池热失控释放的能量Q

C5、电池热失控释放的能量Q

应用例1

选取一款额定容量为25Ah的锂离子电池作为测试对象，将电池单体连接至充放电设备，1)使用25A恒流放电至放电截止电压；2)静置30min；3)使用25A恒流充电至充电截止电压后转为恒压充电，至充电电流降为1.25A；4)静置30min；5)使用25A恒流放电至放电截止电压；6)静置30min；7)使用25A恒流充电至充电截止电压后转为恒压充电，至充电电流降为1.25A。其中以第5)步中的放电能量，作为电池的最大放电能量，为297.18kJ。

2、电池在不同荷电状态下的热失控能量释放测试

1)使用加速绝热量热仪(ARC)测试电池的比热容

为了检测电池热失控产热量，需要测定该款电池的比热容Cp，同时为了给热模型提供热特性基础参数，也需要比热容这个重要的热力学参数。比热容测试采用的是恒功率加热的测试方法，利用加速绝热量热仪(ARC)所提供的绝热环境，加热片给电池提供恒功率加热至60℃(若温度再高易破坏电池)，得到一条线性的电池温度随时间变化的曲线，最后通过公式(1)计算得到C

比热容测试中最高加热温度设定为60℃以内，在这个范围内比热容随温度变化很小可以忽略，取其平均值视作单体的比热容，其比热容为1.2kJ kg

2)调整电池的SoC

当需要将电池SOC调整至n％时，按照“1、电池最大放电能量测试”的方法，将电池充满电，然后使用25A恒流放电60*(1-n％)min。

在研究中，调整电池SoC到0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。

2)使用加速绝热量热仪测试电池的热失控放热量

将电池调整至目标SoC后称重，电池重量为m＝0.6kg，然后放置于ARC中，进行电池热失控测试。ARC能提供一个控制精确的绝热环境。

按照图1电池热失控测试流程图进行电池热失控测试。其中：

dT/dt：电池温升速率；onset：自产热温升速率限值，设置为0.02℃/min用于判断自产热是否发生；T：电池表面温度；T

测得其热失控释放能量如下表：

3、电池放电能量与热失控能量特性的比较

将热失控能量和放电能量绘图后，如图8所示，其符合C2的情况，电池热失控释放的能量等于其存储的电能，且电池热失控释放能量的斜率小于电能释放的斜率，这种情况下电池在放电后发生热失控，其总释放的能量是高于其满电态热失控释放的能量的。这种情况下并联电池组在放电后发生热失控将促进热扩散的发生。表明并联电连接将促进热扩散的发生。

应用例2

选取一款额定容量为30Ah的锂离子电池作为测试对象，将电池单体连接至充放电设备，1)使用30A恒流放电至放电截止电压；2)静置30min；3)使用30A恒流充电至充电截止电压后转为恒压充电，至充电电流降为1.5A；4)静置30min；5)使用30A恒流放电至放电截止电压；6)静置30min；7)使用30A恒流充电至充电截止电压后转为恒压充电，至充电电流降为1.5A。其中以第5)步中的放电能量，作为电池的最大放电能量，为333.8kJ。

2、电池在不同荷电状态下的热失控能量释放测试

1)使用加速绝热量热仪(ARC)测试电池的比热容

为了检测电池热失控产热量，需要测定该款电池的比热容Cp，同时为了给热模型提供热特性基础参数，也需要比热容这个重要的热力学参数。比热容测试采用的是恒功率加热的测试方法，利用加速绝热量热仪(ARC)所提供的绝热环境，加热片给电池提供恒功率加热至60℃(若温度再高易破坏电池)，得到一条线性的电池温度随时间变化的曲线，最后通过公式(1)计算得到C

比热容测试中最高加热温度设定为60℃以内，在这个范围内比热容随温度变化很小可以忽略，取其平均值视作单体的比热容，其比热容为1.3kJ kg

3)调整电池的SoC

当需要将电池SOC调整至n％时，按照“1、电池最大放电能量测试”的方法，将电池充满电，然后使用25A恒流放电60*(1-n％)min。

在研究中，调整电池SoC到0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。

2)使用加速绝热量热仪测试电池的热失控放热量

将电池调整至目标SoC后称重，电池重量为m＝1.1kg，然后放置于ARC中，进行电池热失控测试。ARC能提供一个控制精确的绝热环境。

按照图1电池热失控测试流程图进行电池热失控测试。其中：

dT/dt：电池温升速率；onset：自产热温升速率限值，设置为0.02℃/min用于判断自产热是否发生；T：电池表面温度；T

测得其热失控释放能量如下表：

3、电池放电能量与热失控能量特性的比较

将热失控能量和放电能量绘图后，如图9所示，其符合C5的情况，电池热失控释放的能量大于其存储的电能，且电池热失控释放能量的斜率大于电能释放的斜率，这种情况下电池在放电后发生热失控，其总释放的能量是小于其满电态热失控释放的能量，这种情况下并联电池组在放电后发生热失控将延缓热扩散的发生。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。