一种具有电池热失控产热特性及喷阀效果的假电池系统及其方法

1.本发明涉及离子电池热安全技术领域，具体地说，涉及一种具有车用锂离子电池热失控特性的研究。
技术背景
2.新能源汽车在降低碳排放与保护环境上有着重要的意义。而纯电动汽车作为新能源汽车的重要组成部分，其主要采用动力电池作为动力来源。锂离子因具有高电压、高功率、高能量转换效率和循环寿命长等特点，常作为动力电池的首选。但是锂电池相应的牺牲了去其安全性，时有发生以电池自燃为主等热失控的事故，相关研究表明锂离子电池一旦发生热失控，可能会在2s之内蔓延到整个电池。因此锂离子电池的安全性关系到驾驶员以及乘客的生命安全。
3.锂离子电池热失控按时间先后可以分为sei膜分解、电解液与负极反应、隔膜熔化过程、正极分解反应、电解质的分解反应和黏结剂及电解质燃烧反应过程。因此探究锂离子电池热失控以及蔓延的特点，对于预防发生热失控事故以及保证人的生命和财产安全有着十分重要的意义。在以往的热失控试验中，常以具体电池进行试验，虽然这样更能反应电池热失控的实际情况，但是试验过程存在资源浪费严重的现象，往往在一次试验过后，电池就会报废，并且产生大量有毒有害气体，不利于试验人员的身心健康。而在探究电池蔓延的情况，对于电池的消耗更为严重。
4.并且根据以往的热失控试验，可以发现具有初始性能相近的同一种类电池，其热失控后个体之间的产热特相差不大，并且可以建立相应热失控产热特性的数学模型。所以根据已有电池热失控特性的数学模型，研发一种可以多次使用的试验用假电池装置来代替实际电池，模拟电池热失控蔓延场景，这对于降低试验成本有着十分重要的意义。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种具有电池热失控产热特性及喷阀效果的假电池系统及其方法，能够用于模拟多种电池热失控蔓延场景以及产气喷阀效果，并且能够达到多次重复使用的效果。
6.一种具有电池热失控产热特性及喷阀效果的假电池系统，包括假电池本体、加热棒、防爆箱，加热棒与假电池侧面紧贴连接，置于防爆箱中，加热棒通过可调稳压电源提供的电压产生热量传递给假电池，上位机与可编程逻辑控制器连接，可编程逻辑控制器控制可调稳压电源的电压输出。
7.作为本发明优选方案，所述假电池本体由三部分组成，包括电池外壳、黑火药和防爆阀组成。
8.作为本发明优选方案，所述电池外壳采用铝合金材料。同时假电池外壳中心设有一个圆柱体的空腔，将该空腔的高度与内径之比定义为高径比，通过调节空腔高径比，来控
制黑火药的用量，以控制黑火药的总产热量。
9.作为本发明优选方案，所述黑火药由硝酸钾、硫和碳按比例调节后与硝酸铵经过相应配比，可将其爆发点能够控制在与实际电池过热喷阀相接近的温度，并且在试验结束后只需要向假电池中填充火药即可再次使用。
10.作为本发明优选方案，所述防爆阀为打开后可以减压排气的防爆阀，所述防爆阀与电池实际过热后先喷阀的实际情况相符合，并且防爆阀价格便宜，在试验结束后对防爆阀进行复位即可再次使用。
11.作为本发明优选方案，所述可调稳压电源可以输出稳定的电压，并且电压调节范围大，可以控制加热棒的产热功率，能够满足实际电池热失控的产热功率要求，符合实际电池热失控的产热特性。
12.作为本发明优选方案，在上位机上设定不同电池热失控的产热特性函数对可调稳压电源的电压输出进行精确控制。
13.作为本发明优选方案，所述的上位机编程方式采用labview图形化编程语言，降低了程序开发难度，并且可以很好的实现人机交互。
14.作为本发明优选方案，所述的可编程逻辑控制器包括采用c-rio 9036控制器和ni 9263电压输出板卡，c-rio 9036控制器根据上位机程序的要求，控制 ni 9263电压输出板卡的电压输出，满足相应实际电池的产热特性曲线，实现对可调稳压电源的电压输出进行精确控制。
15.本发明工作原理：
16.通过对某一款电池获得其相应的产热数学模型和产热特性函数，通过上位机将待测电池产热特性曲线通过上位机进行程序编写，输入给可编程逻辑控制器。可编程逻辑控制器通过输出对应的电信号，能够准确的控制可调稳压电源的电压输出，进而控制加热棒的产热功率。而假电池与加热棒相接触，置于防爆箱中。当假电池温度上升，当达到黑火药的爆发点，黑火药内部发生相应的化学反应，产气产热；当假电池内部达到一定压力，防爆阀打开，黑火药发生爆燃，假电池温度迅速上升，达到热失控效果。
17.本发明与已有技术相比，有益效果主要有以下方面：
18.1、本发明采用了模块化的方法，将电池本体分为电池外壳、黑火药和防爆三部分，每个模块可进行单独更换，因此克服了传统热失控试验，采用真电池进行模拟，每节电池只能进行一次试验的缺点，从而取得了假电池装置可再次使用，重复性好的效果。
19.2、本发明采用了假电池装置内填充经过配比的黑火药，因此克服了现有技术中无法实现产气喷阀效果的缺点，从而取得了能够更真实的模拟电池热失控特性的效果。
20.3、本发明采用了大范围可调稳压电源和加热棒，能够满足大部分电池热失控产热特性所要求的功率范围，因此克服了传统热失控试验，只能对一种电池进行测试的缺点，从而取得可以针对多种不同种类电池进行模拟，适用性广的效果。
21.4、本发明采用了将可编程逻辑控制器与上位机相结合，基于labview图形化语言的编程方式，因此克服了现有技术中可视化差的缺点，从而取得了能够人机交互性好的效果。
22.5、本发明的编程逻辑控制器，采用c-rio 9036控制器和ni 9263电压输出板卡，因此克服了现有技术中的能够无法实现对加热棒产热功率的精确控制，从而取得了假电池产
热特性与实际电池产热特性相一致，并且可控性高的效果。
附图说明
23.图1是一种具有电池热失控产热特性及喷阀效果的假电池系统示意图。
24.图2是假电池本体结构示意图。
25.图3是假电池可编程逻辑控制器结构示意图。
26.图4是上位机程序操作流程图。
27.其中，1—假电池本体；2—加热棒；3—防爆箱；4-可调稳压电源；5—可编程逻辑控制器；6—上位机；7—防爆阀；8—黑火药；9—假电池外壳；10—c-rio 9036控制器；11—ni 9263电压输出板卡。
具体实施方案
28.为更进一步阐明本发明所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种具有电池热失控产热特性及喷阀效果的假电池系统及其方法具体实施方法、步骤、结构、特征及功效详细说明。
29.如附图1所示，一种具有电池热失控产热特性及喷阀效果的假电池系统，该系统包括假电池本体1、加热棒2、防爆箱3、可调稳压电源4、可编程逻辑控制器5和上位机6。加热棒2与假电池本体1侧面紧贴连接，置于防爆箱3中，加热棒2通过可调稳压电源4提供的电压产生热量传递给假电池本体1；上位机6 与可编程逻辑控制器5连接，可编程逻辑控制器5控制可调稳压电源4的电压输出。
30.如附图2所示，所述假电池本体1主体结构包括防爆阀7、黑火药8和假电池外壳9；在每次试验之后，通过向假电池外壳9中重新填入黑火药8，再对防爆阀7进行复位或者更换后，假电池本体1即可重新进行使用。
31.其中防爆阀7在安装在假电池外壳9的最上方，在假电池本体1热失控打开后，可以实现减压排气，保证安全，不仅与电池实际过热后先喷阀的实际情况相符合，并且防爆阀价格便宜，在试验结束后对防爆阀7进行复位即可再次使用。
32.其中黑火药8安装于假电池外壳9内部，黑火药燃烧时，产生大量气体和剧烈升温，能够模拟电池产气喷阀后，温度剧烈上升的效果。同时选用的黑火药8 通过调节硝酸钾、硫和碳的比例，并与硝酸铵经过相应配比，可将其爆发点能够控制在与实际电池过热喷阀相接近的温度，并且在试验结束后只需要向假电池本体1中填充火药即可再次使用。
33.其中假电池外壳9采用铝合金材料，假电池外壳9制造容易、成本低即便损坏，更换即可。且选用的铝合金材料与电池的比热容相近，能够更好贴近真实的电池。同时假电池外壳9中心设有一个圆柱体的空腔，将该空腔的高度与内径之比定义为高径比，通过调节空腔高径比，来控制黑火药8的用量，以控制黑火药 8的总产热量。
34.如附图3所示，所述可编程逻辑控制器5由c-rio 9036控制器10和ni 9263 电压输出板卡11组成；c-rio 9036控制器10根据上位机6程序的要求，控制 ni 9263电压输出板卡11进行电压输出，以满足相应实际电池的产热特性曲线，来实现对可调稳压电源4的电压输出进行精确控制。
35.如附图4所示,为本发明上位机程序操作流程，其操作流程为：
36.s1:打开程序，启动程序；
37.s2:向假电池外壳中填入黑火药，安装防爆阀；对上位机和可编程逻辑控制器中的参数进行初始化设置；
38.s3:获得待测电池的产热数学模型和产热特性曲线，通过上位机将待测电池产热特性曲线输入给可编程逻辑控制器；
39.s4:可编程逻辑控制器输出对应的电信号，准确地控制可调稳压电源的电压输出，进而控制加热棒的产热功率；
40.s5:试验过程中，假电池本体与加热棒相接触并置于防爆箱中；随着加热棒的产热，假电池本体温度上升，当温度达到黑火药的爆发点时，黑火药内部发生相应的化学反应，产气产热；且当假电池本体内部达到一定压力时，防爆阀打开，黑火药发生爆燃，假电池温度迅速上升，达到热失控效果，假电池本体发生喷阀若没发生喷阀，则返回步骤s4；
41.s6:假电池本体1发生喷阀，控制可调稳压电源4停止电压输出；
42.s7:等待试验结束，程序结束。
43.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。