一种锂离子电池热失控特性测试装置

1.本实用新型涉及锂离子热失控实验设备技术领域，特别提供了锂离子在热滥用、机械滥用、过充滥用三种情形下热失控特性测试装置。


背景技术：

2.由于锂离子电池具有能量密度高、开路电压高、重量轻和环境污染小等诸多优点，已在消费电子领域、交通工具领域和航空航天领域中得到了广泛应用。然而由于锂离子电池自身的工作原理或生产时导致的内部缺陷，当发生热滥用、机械滥用和过充滥用时会发生热失控现象，其内部隔膜融化，电化学反应快速发生并转化生热，释放各种气体、颗粒物，引发火灾或爆炸。
3.目前锂离子电池热失控特性测试装置大多只能简单地完成三种典型滥用中的一种或两种，如《一种非接触式模拟过热锂电池热失控试验平台》(cn202010100543.6)使用支架和夹具固定锂离子电池，将可控温纳米加热圈环绕电池，通过非接触式引发锂离子电池热失控。这种平台仅能完成热滥用，但无法收集气体完成后续分析。此外，既能实现热滥用或过充滥用又能收集气体的装置往往无法实现机械滥用，如《一种检测锂电池热失控产气速率的试验装置和方法》(cn202010278821.7)使用密闭的试验箱，配合选择阀、真空泵、控制系统，通过导线与电加热板或锂离子电池连接，触发锂电池热失控，根据试验箱容积与锂电池容积、箱内初始压力与终止压力，得出锂电池热失控的产气速率。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是为了解决现有测试装置的功能缺陷，提供一种既能完成热滥用、机械滥用和过充滥用三种滥用实验，又能收集气体便于在线、离线分析的锂离子电池热失控特性测试装置。
5.为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
6.一种锂离子电池热失控特性测试装置，包括实验釜，实验釜内部安装有固定装置、加热装置和针刺装置，外部安装有摄像装置和控制装置。实验釜下部和上部分别安装有排污孔和出气孔，排污孔用于每次实验结束清洗残留物，出气孔用于导出锂离子电池热失控生成的气体；实验釜筒体下部预留两个进气孔，用于提供稳定的气流；实验釜对称两侧使用法兰片安装两片耐1.2mpa高压的玻璃观察窗，观察窗上固定高清摄像装置；实验釜筒体上部通过两个内螺纹孔安装起跳压力为1.0mpa的安全阀和数显式压力变送器。釜体上封头通过把手和固定铰链可以实现快速安全地开启、关闭，上封头对称两侧使用法兰片安装两片照明led灯。
7.所述的固定装置包括带孔底座、端子线排、气体传感器；固定装置上部留有挖孔提手，两侧通过不锈钢槽放置两块加热装置，加热装置为加热板，两侧不锈钢槽外部可以紧贴放置两块锂离子电池，加热装置表面和锂离子电池表面分别放置贴片k型热电偶；固定装置下部的带孔底座通过挖槽放置两个针刺装置。
8.所述的控制装置括适配电源箱、连接实验釜内外部的小电流导电线和大电流导电线。
9.所述的控制装置在实施热滥用实验时，釜内部的加热装置、贴片k型热电偶、电压测试夹和气体传感器均通过端子线排连接釜外部的小电流导电线，根据各自通信协议连接至电脑端软件。
10.所述的控制装置在实施机械滥用实验时，釜内部的针刺装置、贴片k型热电偶和气体传感器均通过端子线排连接釜外部的小电流导电线，根据各自通信协议连接至电脑端软件，针刺装置通过无线遥控器远程控制。
11.所述的控制装置在实施过充滥用实验时，锂离子电池直接通过大电流导电线连接外部专用充电器，贴片k型热电偶和气体传感器均通过端子线排连接釜外部的小电流导电线，根据各自通信协议连接至电脑端软件。
12.本实用新型的有益效果为：
13.本实用新型的一种锂离子电池热失控特性测试装置，采用的加热装置能够实际模拟环境温度变化，并在一定范围内连续可调，提高了实验准确性；摄像装置安装在实验釜两侧的观察窗外，可以实时观察到釜内实验状况，可以捕捉实验全过程。本实验不仅可开展不同荷电状态锂离子电池在热滥用、针刺滥用和过充滥用三种滥用情形下热失控规律实验，还能通过收集、分析热失控产生的气体研究预警机制，将气体传感器集成放置釜内测试传感器灵敏度和有效性，对锂离子电池热失控预警、防控技术的研究意义重大。此外，实验釜被设计为压力容器，安装了压力安全阀，防止实验过程中内部超压发生物理爆炸；实验釜上下各安装一处阀门，便于产生稳定气流。
附图说明
14.图1为本实用新型的结构示意图；
15.图2为本实用新型中实验釜的内部结构示意图；
16.图3为图2的a-a剖面示意图；
17.其中，10-实验釜、20-固定装置、30-加热装置、40-针刺装置、50-摄像装置、60-控制装置、70-锂离子电池、11-排污阀、12-进气孔、13-观察窗、14-压力安全阀、15-数显式压力变送器、16-封头把手、17-封头固定铰链、18-照明窗、19-出气孔、20-固定装置、 21-固定装置带孔底座、22-端子线排、23-气体传感器、61-小电流导电线、62-大电流导电线、63-贴片k型热电偶。
具体实施方式
18.下面将结合本实用新型附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅为本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
19.如图1所示，本实用新型所述的一种锂离子电池热失控特性测试装置，包括实验釜 10，实验釜10包括上封头、下封头和中间的筒体结构，采用6mm厚度的sus304不锈钢焊接而成，内腔直径500mm、容积0.17m3，设计最高使用压力1.1mpa。上封头通过封头把手16和封头
固定铰链17实现快速打开和关闭，中间安装有耐热硅橡胶密封圈以保证两者的密封性。为便于观察和记录实验过程，上封头设置两处led照明窗18，筒体两侧使用法兰片安装两片耐1.2mpa高压的玻璃观察窗，观察窗上固定高清摄像装置 50。
20.实验釜10上封头留有出气孔19，通过内螺纹安装出气阀门，用于导出热失控产生的气体做离线或在线分析；下封头留有排污孔11，通过内螺纹安装排水阀，用于每次实验结束内部清洗排水；下封头留有两处进气孔12，连接流量计控制的压缩空气以提供稳定的气流。实验釜10筒体的上部安装一个数显式压力变送器15，通过modbus通信协议传输至电脑端；实验釜10筒体的上部安装一个起跳压力1.0mpa的安全阀，当实验釜内压力超过1.0mpa时安全阀阀瓣打开释放多余气体，以保证实验安全。
21.实验釜10外部安装有控制装置60，包括适配电源箱，为照明窗18、摄像装置50、数显式压力变送器15和内部端子线排22提供电源，内部端子线排22为针刺装置40、贴片k型热电偶63、气体传感器23提供电源。适配电源箱内部安装有pid温控器，可在0-999℃范围内连续设置加热装置30的温度。如图2所示，针刺装置40安装在固定装置带孔底座21上，端部安装直径6mm、针尖圆锥角度45
°
的耐高温钢针，通过无线控制器远程控制伸缩。贴片k型热电偶63测温范围为0-700℃，一个位于加热装置30 与固定装置20中间，两个位于锂离子电池70表面的上部和下部。气体传感器23为电解液蒸气、挥发性有机物(vocs)、co和温度四种传感器组合，通过can信号传输至电脑端。筒体上部通过法兰片安装小电流导电线61，在保障密封性的同时连接实验釜内外部电流和温度、电压、传感器信号传输。筒体上部通过法兰片安装大电流导电线62，在实施过充滥用实验时连接外部专用充电器和内部锂离子电池。
22.使用锂离子电池热失控特性测试装置进行热滥用实验时，按如下步骤操作：
23.(1)检查整个装置的各个部件和线路连接状态，确保装置都能正常工作，打开各电脑端软件，设置数据保存路径；
24.(2)将锂离子电池在常温下充电至100％soc状态后，使用压条固定在固定装置上，关闭上封头并拧紧螺栓；
25.(3)充入0.2mpa压力的压缩空气，保压30分钟后压降≤0.5％，证明实验釜密封性良好，然后释放掉压缩空气；
26.(4)调节pid温控器使热源输出达到实验要求的温度梯度，同时启动所有记录软件，打开上封头出气孔，连接气袋或者在线气体测试装置，实时记录釜内气压值、锂离子电池表面和加热板表面温度值、锂离子电池电压值、传感器数值；
27.(5)锂离子电池一旦发生热失控，立即切断加热装置电源，等待热失控结束后关闭记录软件，打开上封头，清洗实验釜内部，整理实验数据。
28.使用锂离子电池热失控特性测试装置进行机械滥用实验时，按如下步骤操作：
29.(1)检查整个装置的各个部件和线路连接状态，确保装置都能正常工作，打开各电脑端软件，设置数据保存路径；
30.(2)将锂离子电池在常温下充电至100％soc状态后，使用压条固定在固定装置上，关闭上封头并拧紧螺栓；
31.(3)充入0.2mpa压力的压缩空气，保压30分钟后压降≤0.5％，证明实验釜密封性良好，然后释放掉压缩空气；
32.(4)调节针刺装置角度，以25mm/s的速度垂直于锂离子电池表面的方向贯穿，钢针
停留在蓄电池中，同时启动所有记录软件，打开上封头出气孔，连接气袋或者在线气体测试装置，实时记录釜内气压值、锂离子电池表面和加热板表面温度值、锂离子电池电压值、传感器数值；
33.(5)锂离子电池一旦发生热失控，立即切断加热装置电源，等待热失控结束后关闭记录软件，打开上封头，清洗实验釜内部，整理实验数据。
34.使用锂离子电池热失控特性测试装置进行过充滥用实验时，按如下步骤操作：
35.(1)检查整个装置的各个部件和线路连接状态，确保装置都能正常工作，打开各电脑端软件，设置数据保存路径；
36.(2)将锂离子电池固定在固定装置上，关闭上封头并拧紧螺栓；
37.(3)充入0.2mpa压力的压缩空气，保压30分钟后压降≤0.5％，证明实验釜密封性良好，然后释放掉压缩空气；
38.(4)将专用充电器通过大电流导电线连接鳄鱼夹，夹在锂离子电池极耳处，设置充电程序，同时启动所有记录软件，打开上封头出气孔，连接气袋或者在线气体测试装置，实时记录釜内气压值、锂离子电池表面和加热板表面温度值、锂离子电池电压值、传感器数值；
39.(5)锂离子电池一旦发生热失控，立即切断充电电源，等待热失控结束后关闭记录软件，打开上封头，清洗实验釜内部，整理实验数据。
40.本实用新型未尽事宜为公知技术。上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。