动力电池热失控分析方法、系统、计算机设备及存储介质与流程

本申请涉及动力电池技术领域，特别是涉及一种动力电池热失控分析方法、系统、计算机设备及存储介质。

背景技术：

近年来，电动汽车的市场份额稳步提升。动力电池具有高电压、高比能量、长循环寿命、对环境无污染等卓越性能，受到电动汽车产业的高度关注，并获得了一定应用。目前，动力电池热失控引发的火灾及爆炸事故屡见报道，因此，动力电池安全性问题成为阻碍其在动力电源产业大规模商业化应用的主要因素之一。

然而，动力电池热失控的机理目前尚未完全清楚。传统的，动力电池热失控分析方法存在一定的缺陷，不能全方面的考虑动力电池发生热失控的原因，无法全方位的防止动力电池发生热失控。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的分析方法不能全方面的考虑动力电池发生热失控的原因，无法全方位的认识动力电池发生热失控问题，提供一种动力电池热失控分析方法、系统、计算机设备及存储介质。

一种动力电池热失控分析方法，包括：

s100，提供测试电池，获取所述测试电池发生热失控全过程中的表面温度；

s200，基于所述测试电池发生热失控全过程中的表面温度模拟生成自加速反应模式分析模型，所述自加速反应模式分析模型确定了所述测试电池在热失控不同阶段的界限温度，所述界限温度将所述测试电池的热失控过程分为诱导期、慢反应期、快反应期以及后反应期；

s300，基于所述自加速反应模式分析模型中的所述界限温度，判断动力电池所处的热失控过程，所述动力电池发生热失控过程至少包括所述诱导期、所述慢反应期、所述快反应期以及所述后反应期中的任意一种。

在一个实施例中，所述步骤s100，包括：

s101，提供n组所述测试电池，分别对n组所述测试电池进行不同类型的滥用，直至n组所述测试电池发生热失控起火，其中n大于等于3；

s102，获取n组时间-表面温度的坐标值，所述时间从零时刻开始到所述测试电池发生热失控起火蔓延时刻截止，所述表面温度为所述测试电池在对应时间的表面温度。

在一个实施例中，所述步骤s200，包括：

s201，将所述n组时间-表面温度的坐标值汇总，以得到不同时间下所述测试电池的表面温度曲线；

s202，对所述表面温度曲线进行数据拟合和基于燃烧理论的数据分析，以得出自加速反应模式分析模型。

在一个实施例中，所述步骤s300，包括：

若动力电池的表面温度小于等于第一界限温度时，并且其表面温度递增，则所述动力电池处于所述诱导期；

若动力电池的表面温度大于所述第一界限温度，其表面温度递增，保持在小于等于第二界限温度时，则所述动力电池处于所述慢反应期；

若动力电池的表面温度大于所述第二界限温度，其表面温度递增的幅度大于在所述慢反应期表面温度递增的幅度，并保持在小于等于第三界限温度时，则所述动力电池进入所述快反应期，所述第三界限温度为所述动力电池发生热失控过程中的最大温度值；

若动力电池的表面温度小于所述第三界限温度，并且温度递减，但仍然大于等于所述第二界限温度时，则所述动力电池处于所述后反应期。

在一个实施例中，每一个所述界限温度通过所述测试电池的热反应速率和所述测试电池的总放热量确定。

在一个实施例中，所述动力电池的热失控过程包括：析气过程、喷发过程或者燃烧过程中的一种或者多种。

在一个实施例中，所述动力电池的热失控过程中发生sei膜分解反应、负极与电解液反应、隔膜反应、电解液挥发、电解液闪点、正极分解反应以及电解液分解反应中的一种或多种。

一种动力电池热失控分析系统，包括：

温度检测设备，用于获取动力电池发生热失控全过程中的表面温度；

模拟计算设备，与所述温度检测设备通信连接，用于根据所述动力电池发生热失控全过程中的表面温度模拟生成自加速反应模式分析模型；以及

自加速反应模式分析模型判断设备，与所述模拟计算设备通信连接，用于判断所述动力电池所处的热失控过程。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的动力电池热失控分析方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的动力电池热失控分析方法的步骤。

本申请涉及动力电池技术领域，特别是涉及一种动力电池热失控分析方法、系统、计算机设备及存储介质。所述动力电池热失控分析方法。所述动力电池热失控分析方法，通过结合内燃机的燃烧理论模拟生成自加速反应模式分析模型，根据所述自加速反应模式分析模型分析动力电池的热失控过程，从而可以全方位的认识动力电池发生热失控。

附图说明

图1为本申请一个实施例中提供的动力电池热失控分析方法流程图；

图2为本申请一个实施例中提供的自加速反应模式分析模型的生成方法流程图；

图3为本申请一个实施例中提供的典型的动力电池的表面温度-表面温升曲线图；

图4为本申请一个实施例中提供的典型的动力电池的时间-表面温度曲线动力电池热失控分析方法流程图；

图5为本申请一个实施例中提供的自加速反应模式分析模型示意图；

图6为本申请一个实施例中提供的动力电池热失控过程中存在的反应过程及反应温度示意图；

图7为本申请一个实施例中提供的动力电池热失控过程中存在的衍生过程示意图；

图8为本申请一个实施例中提供的动力电池热失控过程中，采用自加速反应模式分析模型得出的动力电池热失控过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

正如背景技术所述，传统的动力电池热失控分析方法存在一定的缺陷。针对传统的动力电池热失控分析方法不能全方面的考虑动力电池发生热失控的原因，无法全方位的认识动力电池发生热失控的问题，经发明人研究发现，动力电池或者锂离子电池热失控过程中其温度特性与内燃机燃烧过程中的温度特性及其相似，即均是先经历缓慢的温升过程、之后温度急剧上升、然后伴随着温度急剧下降的过程。相比之下，基于燃烧理论对动力电池(特别是锂离子电池)的热失控过程进行分析，本申请为定量描述锂离子电池热失控过程以及进一步揭示热失控机理提供新的思路。

基于以上原因，本申请提供了一种动力电池热失控分析方法，通过结合内燃机的燃烧理论模拟生成自加速反应模式分析模型，根据所述自加速反应模式分析模型分析动力电池的热失控过程，从而可以全方位的认识动力电池发生热失控。

请参阅图1，本申请的一个实施例中提供的动力电池热失控分析方法，包括：

s100，提供测试电池，获取所述测试电池发生热失控全过程中的表面温度。

本步骤中，可以采用感测温度较高的贴片式的温度传感器，设置于所述测试电池的内表面或者外表面。所述温度传感器用于获取测试电池的表面温度。所述温度传感器可以和外界的控制装置或者传感装置进行通信连接，用于传送数据。

s200，基于所述测试电池发生热失控全过程中的表面温度模拟生成自加速反应模式分析模型。所述自加速反应模式分析模型确定了所述测试电池在热失控不同阶段的界限温度。所述界限温度将所述测试电池的热失控过程分为诱导期、慢反应期、快反应期以及后反应期。

本步骤中，可以基于多种所述测试电池的表面温度生成不同的测试曲线，对所述测试曲线进行汇总、分析甚至舍弃部分不在合理范围内的测试曲线，然后生成模拟生成自加速反应模式分析模型。本步骤中还可以制作多个典型电池，测试所述典型电池发生热失控全过程中的表面温度，基于多条所述典型电池的表面温度曲线模拟生成自加速反应模式分析模型。具体的，所述诱导期、所述慢反应期、所述快反应期以及所述后反应期的区分可以根据反应阶段的界限温度和温升速率进行确认和区分。

s300，基于所述自加速反应模式分析模型中的所述界限温度，判断动力电池所处的热失控过程，所述动力电池发生热失控过程至少包括所述诱导期、所述慢反应期、所述快反应期以及所述后反应期中的任意一种。

本步骤中，可以结合内燃机的燃烧理论模拟生成自加速反应模式分析模型。根据所述自加速反应模式分析模型分析动力电池的热失控过程，基于自加速反应分析模型中的界限温度，从而可以全方位的认识动力电池发生热失控。具体的，所述界限温度将所述测试电池的热失控过程分为诱导期、慢反应期、快反应期以及后反应期。其中，所述动力电池发生热失控过程至少包括所述诱导期、所述慢反应期、所述快反应期以及所述后反应期中的任意一种。

本实施例中，提供了一种动力电池热失控分析方法，基于自加速反应模式分析模型详细分析动力电池热失控的过程，为动力电池热失控中进一步的机理研究指明了方向。所述动力电池热失控分析方法为控制动力电池发生热失控提出了工程目标，即延长了动力电池发生热失控的孕育期和缓慢反应期。所述动力电池热失控分析方法，可以全方位的认识动力电池发生热失控。

在一个实施例中，所述步骤s100，包括：

s101，提供n组所述测试电池，分别对n组所述测试电池进行不同类型的滥用，直至n组所述测试电池发生热失控起火，其中n大于等于3。

本步骤中，提供多组测试电池，对不同组的测试电池进行不同类型的滥用。比如不同组的测试电池分别施加电压滥用、外界加热、针刺、外短路等滥用情况。施加滥用直至所述测试电池发生热失控起火。试验选用n组所述测试电池，其中n大于等于3，可以使得测试结果的可信度更高，测试数据更加准确。

s102，获取n组时间-表面温度的坐标值，所述时间从零时刻开始到所述测试电池发生热失控起火蔓延时刻截止，所述表面温度为所述测试电池在对应时间的表面温度。

本步骤中，时刻记录所述测试电池的表面温度，获得n组时间-表面温度的坐标值，能够指导后续所述测试电池的表面温度曲线的形成。本步骤中可以采用温度检测装置与检测控制器电连接，时刻记录所述测试电池从正常状态到发生热失控起火蔓延时刻电池的表面温度。

本实施例中，通过获取n组所述待测试电池的表面温度，采用大数据统计的方式获取n组时间-表面温度的坐标值，指导后续得到不同时间下所述测试电池的表面温度曲线。

在一个实施例中，所述步骤s200，包括：

s201，将所述n组时间-表面温度的坐标值汇总，以得到不同时间下所述测试电池的表面温度曲线。

本步骤中，得到的所述测试电池的表面温度曲线如图3所示，另外可以根据所述测试电池的表面温度曲线，进一步获取所述测试电池的表面温度与温升曲线，如图4所示。

s202，对所述表面温度曲线进行数据拟合和基于燃烧理论的数据分析，以得出自加速反应模式分析模型。

本步骤中，结合图3和图4，以及对n组数据基于燃烧理论的数据分析得到如图5所示的自加速反应模式分析模型。

本实施例中，提供一种基于燃烧理论的数据分析方法得到的自加速反应模式分析模型。基于所述自加速反应模式分析模型可以对动力电池的热失控状态进行准确的分析，从而有效的、全方位的认识动力电池发生热失控的发生。

在一个实施例中，所述步骤s300，包括：

若动力电池的表面温度小于等于第一界限温度时，并且其表面温度递增，则所述动力电池处于所述诱导期。

本步骤中，请参阅图5如果检测到所述动力电池的表面温度小于等于第一界限温度(tsa)时，并且所述动力电池的当前状态的表面温度大于其前一状态的表面温度，则所述动力电池处于所述诱导期。处于所述诱导期的所述动力电池的温升速率一般保持在3℃/min到5℃/min。

若动力电池的表面温度大于所述第一界限温度，其表面温度递增，保持在小于等于第二界限温度时，则所述动力电池处于所述慢反应期。

本步骤中，请参阅图5如果检测到所述动力电池的表面温度大于所述第一界限温度(tsa)小于等于第二界限温度(tcth)，并且所述动力电池的当前状态的表面温度大于其前一状态的表面温度，则所述动力电池处于所述慢反应期。处于所述慢反应期的所述动力电池的温升速率一般保持在4℃/min到6℃/min。

若动力电池的表面温度大于所述第二界限温度，其表面温度递增的幅度大于在所述慢反应期表面温度递增的幅度，并保持在小于等于第三界限温度时，则所述动力电池进入所述快反应期，所述第三界限温度为所述动力电池发生热失控过程中的最大温度值。

本步骤中，请参阅图5如果检测到所述动力电池的表面温度大于所述第二界限温度(tcth)且小于等于第三界限温度时(tmax)时，并且其表面温度递增的幅度大于在所述慢反应期表面温度递增的幅度，则所述动力电池处于所述快反应期。处于所述快反应期的所述动力电池的温升速率一般保持在30℃/min到60℃/min。

若动力电池的表面温度小于所述第三界限温度，并且温度递减，但仍然大于等于所述第二界限温度时，则所述动力电池处于所述后反应期。

本步骤中，请参阅图5如果检测到所述动力电池的表面温度小于所述第三界限温度(tmax)且大于所述第一界限温度(tsa)时，并且所述动力电池的当前状态的表面温度小于其前一状态的表面温度，则所述动力电池处于所述后反应期。处于所述后反应期的所述动力电池的温升速率一般保持在-3℃/min到-20℃/min。处于所述后反应期的所述动力电池的表面温度是递减的，所述动力电池的当前状态的表面温度小于其前一状态的表面温度。

在一个实施例中，基于燃烧理论的数据分析方法得到反应活性控制的自加速反应模式(reactivity-controlledauto-acceleratedchemicalreactionmode，简称racr模式)。racr模式，即动力电池各组件由于化学反应活性不同，导致在时间上按一定次序出现先后反应的现象。如负极sei膜首先分解、负极锂与电解液反应、隔膜基质融化分解。随后是电池内部其他物质的热分解，如正极、电解液、粘结剂等。同时当施加滥用条件一定时间后停止滥用，则化学反应可以自动加速，即出现热量或活性中心自动积累的现象。racr模式中，动力电池的热失控主要分为热失控诱导期和热失控持续期。

具体的，所述热失控诱导期，从开始施加滥用条件到所述动力电池发生热失控开始。所述动力电池热失控开始的判断机理：反应速率的自动、持续加速(热量积累而自行升温/链锁反应而自由基积累)。所述动力电池热失控开始的数学判断：净放热率大于0，净放热量超过10％(在t1和t2之间)。

具体的，所述动力电池热失控持续期，从所述动力电池发生热失控开始到所述动力电池发生热失控结束。所述动力电池热失控结束的判断机理：反应速率无法自动、持续加速。所述动力电池热失控开始的数学判断：净放热率接近0，净放热量超过90％。其他：在慢反应期和快反应期明显(t2为临界点)。也可以参阅图5。

请参阅图5和图6，在一个实施例中，所述自加速反应模式分析模型包括：诱导期、慢反应期、快反应期和后反应期。其中，所述第一界限温度(tsa)、所述第二界限温度(tcth)和所述第三界限温度(tmax)，以及所述温度变化率可以用于判断自加速反应过程的情况。

本实施例中，所述动力电池热失控过程中其温度特性可以分为：先经历缓慢的温升过程、之后温度急剧上升、然后伴随着温度急剧下降的过程。在所述诱导期主要是氧化剂和还原剂的形成过程，即电池热失控之前反应物的准备过程。所述慢反应期即热滥用、机械滥用或者电滥用导致动力电池有发生热失控的趋势。在所述慢反应期，热失控反应的触发过程涉及的能源主要是动能和火源。射线照射作为光源。催化剂和导体作为能源介质。在所述快反应期，主要涉及动力电池的快速发热、快速温升和快速压升，同时也伴随着可见光与不可见光的产生。所述快反应期也称作热反应过程或者链式反应过程。所述后反应期，即为所述动力电池的安全阀开启，动力电池发生喷发现象。所述后反应期为所述动力电池生成物排出的过程。

在所述自加速反应模式(racr模式)中判断所述诱导期、所述慢反应期、所述快反应期和所述后反应期的要点如下：

racr模式中，所述诱导期始点：可以是对动力电池开始施加滥用条件的时刻。，如开始外界加热、针刺、外短路等的时刻。

racr模式中，所述诱导期终点/持续期始点：在对动力电池停止施加滥用条件时，动力电池净放热量大于0；自由基净浓度大于0。实际工程应用中可以选择净放热量释放5％或10％作为所述热失控诱导期终点。

racr模式中，所述持续期终点：净放热率等于0；自由基净浓度等于0。实际工程应用中可以选择净放热量释放90％或95％作为持续期终点。如动力电池发生燃烧现象，则燃烧释放的热量也包括在总释放热量内。

在racr模式中，所述持续期又分为所述慢反应期、所述快反应期及所述后反应期。在racr模式中，所述慢反应期终点/快反应期始点：一般在温度特性曲线的第一个拐点处，或通过观察发现。在racr模式中，所述快反应期终点/后反应期始点：温度特性曲线的峰值处。

请参阅图7，在一个实施例中，所述动力电池的热失控过程中发生sei膜分解反应、负极与电解液反应、隔膜反应、电解液挥发、电解液闪点、正极分解反应以及电解液分解反应中的一种或多种。

具体的，可以参阅图7，随着电池温度升高，电池内部依次发生sei膜分解、隔膜基质融化、负极与电解液反应、正极分解、电解质分解等等。前一个反应放出热量使得后一个反应的发生成为了可能，并随着温度进一步升高而触发更多的反应，直至电池发生更剧烈的反应，即热失控发生。整个过程也是由不同反应物质的活性主导的。

请参阅图8，在一个实施例中，所述动力电池的热失控过程包括：析气过程、喷发过程或者燃烧过程中的一种或者多种。

在整个racr过程中伴随着一系列衍生过程：析气过程、喷发过程以及燃烧过程。所述析气过程指的是电池内部物质分解过程中释放气体，如h2、co2、co等，析气反应伴随在整个racr过程中。所述喷发过程是指电池内部气体达到一定压力时，冲破塑封膜或电池安全阀开启而出现的喷射过程。喷发过程一般在慢反应期内开始发生，并持续到整个racr过程中。所述燃烧过程是指喷发过程使得电池内部可燃混合气与外界空气接触而出现剧烈的发光发热的氧化还原反应。该过程往往伴随着喷发过程而发生，但也会由于混合气成分及所处的热力学环境而可能不发生燃烧现象。

本申请提供的所述动力电池热失控分析方法中，所述动力电池在所述诱导期和所述慢反应期是在较低的热力学环境下进行，直链反应或退化的支链反应主导反应进程。所述动力电池在反应过程中主要的控制因素是自由基的积累。而在所述快反应期是在较高的热力学环境下进行，具有明显的支链反应的特征，主导因素是自由基的积累和热量的积累。

所述动力电池的自引发热失控情况下，动力电池的滥用强度较低，类似低温多阶段着火/冷焰现象，以及自热自燃现象，故有明显的热失控孕育期，以直链反应或退化的支链反应为特征。

所述动力电池在剧烈滥用情况下引起的热失控：当剧烈的滥用方式加载在电池上，如猛烈碰撞或大功率加热，类似高温单阶段着火，热失控孕育期极短而直接进入热失控慢反应期甚至是快反应期，以支链反应为特征。

所述动力电池从孕育期到持续期是从自身无法自动加速化学反应到可以自动加速化学反应的一个转变过程。所述动力电池在孕育期到持续期具有本质区别：在持续期中的所述慢反应期和所述快反应期均是支链反应，只是反应速率不同，即只是量的差别，并无本质区别。

所述动力电池热失控分析方法中，根据链式反应机理分析，控制动力电池热失控的关键主要包括以下五点：

1)找到关键自由基，并通过化学抑制(类似灭火原理通过溴离子抑制氢离子)增加其销毁速度，从而阻止自由基的积累而避免慢反应期以及快反应期的发生。常见的自由基一般包括h、o、n、f、cl、ch3、oh、ch、c2h5的自由基。

2)增加动力电池内部压力，以增加自由基销毁速率，产气有助于热失控的抑制。

3)增加所述动力电池内部的接触壁面，以增加自由基销毁速率(内阻可能会增加)。

4)采用热管理系统，降低电池温度，以降低自由基累积速率。

本申请一个实施例中还提供一种动力电池热失控分析系统，包括温度检测设备、模拟计算设备以及自加速反应模式分析模型判断设备。

所述温度检测设备用于获取动力电池发生热失控全过程中的表面温度。所述模拟计算设备与所述温度检测设备通信连接。所述模拟计算设备用于根据所述动力电池发生热失控全过程中的表面温度模拟生成自加速反应模式分析模型。所述自加速反应模式分析模型判断设备与所述模拟计算设备通信连接。所述自加速反应模式分析模型判断设备用于判断所述动力电池所处的热失控过程。

本实施例中，结合所述动力电池热失控分析方法提供了一种动力电池热失控分析系统。所述动力电池热失控分析系统基于自加速反应模式分析模型详细分析动力电池热失控的过程，为动力电池热失控中进一步的机理研究指明了方向。所述动力电池热失控分析系统为控制动力电池发生热失控提出了工程目标，即延长了动力电池发生热失控的孕育期和缓慢反应期。所述动力电池热失控分析系统，可以全方位的认识动力电池发生热失控。

在一个实施例中，所述模拟计算设备包括数据存储单元和模拟运算单元。

所述数据存储单元与所述温度检测设备通信连接。所述数据存储单元用于存储多组所述动力电池发生热失控全过程中的表面温度。

所述模拟运算单元与所述数据存储单元通信连接。所述模拟运算单元用于根据多组所述动力电池发生热失控全过程中的表面温度的离散数据点建立数据关系，以生成所述自加速反应模式分析模型。

本实施例中，所述模拟运算单元可以在没有解析式来描述时间-表面温度关系的情况下，结合离散数据点绘制成曲线。根据这些离散数据点绘制的曲线，还可以采用曲线拟合的方法解决这类问题。所谓曲线拟合方法是由给定的离散数据点，建立数据关系(数学模型)，求出一系列微小的直线段把这些插值点连接成曲线，只要插值点的间隔选择得当，就可以形成一条光滑的曲线。曲线一般有两类：规则曲线和自由曲线。规则曲线都可以用函数或参数方程来表示，而拟合曲线是对离散点进行插值、逼近绘制的。本实施例中提到的所述模拟计算设备可以生成自加速反应模式分析模型。

本申请一个实施例中，还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的动力电池热失控分析方法的步骤。

本申请一个实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的动力电池热失控分析方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。