航空锂电池极耳、设计方法及航空锂电池与流程

1.本发明涉及航空锂电池技术领域，特别提供了一种航空锂电池极耳、设计方法及航空锂电池。


背景技术：

2.电动飞机是航空产业中新能源航空器的一个重要发展方向，而电池技术则是电动飞机研发中最为关键的技术之一，使用锂电池作为动力源是目前电动飞机上技术相对成熟的应用，随着电池技术的发展，电池能量密度也在不断地提高，高比能的锂电池将是实现商用全电动飞机的关键技术。
3.与此同时，对于飞机，电池的安全性是更重要的，因为电池在空中的失效将是灾难性的。随着机载电池容量和能量密度的提升，锂电池的安全性面临较大的风险。其中，当锂电池发生短路时，由于持续的短路可能会导致电池发生热失控，导致碎片释放、火焰溢出等严重后果，因此为确保锂电池使用的安全性，行业标准rtcado-311a中明确要求，当发生短路时，即便锂电池组的保护装置失效，锂电池也不应发生影响安全的后果。
4.因此，如何对锂电池进行改进，使其可以在发生短路时，防止锂电池进入热失控，成为亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.鉴于此，本发明的目的在于提供一种航空锂电池极耳、设计方法及航空锂电池，以进一步确保锂电池使用的安全性。
6.本发明一方面提供了一种航空锂电池极耳，设置于航空锂电池中每个锂电池单体的正负极，所述航空锂电池极耳的截面积s的范围为：s
min
≤s《其中，s
min
为保证极耳的截面积满足锂电池的额定电流时的最小截面积，t
tm
表示锂电池进入热失控的时间，单位为秒，is表示锂电池的短路电流，单位为a，tj表示极耳最高允许温度，单位为oc，ti表示极耳初始温度，单位为oc，ktc表示极耳材料比热容，单位为j/(kg
·
℃），θ表示极耳材料密度，单位为kg/m3，ρ表示极耳材料电阻率，单位为ω
·
m，s的单位为m2。
7.本发明还提供了一种航空锂电池极耳的设计方法，所述航空锂电池极耳的截面积s的确定方法包括如下步骤：根据锂电池的额定电流in及极耳材料截面积与最大载流量的对应关系，确定极耳的最小截面积s
min
，以保证极耳的截面积满足锂电池的额定电流；确定当锂电池外部发生短路时的短路电流is；利用下式计算锂电池极耳的截面积上限值：
式中，t
tm
表示锂电池进入热失控的时间，单位为秒，is表示锂电池的短路电流，单位为a，tj表示极耳最高允许温度，单位为oc，ti表示极耳初始温度，单位为oc，ktc表示极耳材料比热容，单位为j/(kg
·
℃），θ表示极耳材料密度，单位为kg/m3，ρ表示极耳材料电阻率，单位为ω
·
m。
8.优选，短路电流is通过如下公式计算：is=n*uo/[n*(rb+r
l
)+rj]式中，is表示锂电池的短路电流，单位为a，n表示航空锂电池中串联的锂电池单体的个数，uo表示锂电池单体的额定电压，单位为v，rb表示锂电池单体的内阻，单位为ω，r
l
表示锂电池单体的连接电阻，单位为ω，rj表示锂电池外部线束、接插件接触及短路搭接电阻，单位为ω。
[0009]
本发明还提供了一种航空锂电池，其中，所述航空锂电池的极耳采用上述的航空锂电池极耳的设计方法进行设计。
[0010]
本发明提供的航空锂电池极耳及航空锂电池，能够保证极耳所允许的载流量满足正常工作时使用要求，还能够保证极耳在锂电池因发生短路故障而发生热失控之前熔断，切断短路回路，防止锂电池进入到热失控状态，提高锂电池工作的安全性，极耳设置于航空锂电池中相邻锂电池单体之间，各个极耳均可起到保护作用，无需锂电池增加额外器件，可进一步提高锂电池的安全性。
[0011]
本发明提供的航空锂电池极耳的设计方法，提供了一种在极耳保证满足载流量需求及防止电池热失控之间的一种合理设计方法，避免了为满足载流需求的导致的极耳面积的过度设计，降低了极耳的重量和体积，同时，防止了极耳选择不当，导致在锂电池正常工作时，极耳工作温度过高，影响锂电池的正常使用。
具体实施方式
[0012]
下面将结合具体的实施方案对本发明进行进一步的解释，但并不局限本发明。
[0013]
现有锂电池设计，当锂电池发生短路故障时，是靠电池外部短路保护装置来切断短路回路，防止短路故障的进一步扩大，避免锂电池发生碎片释放、火焰溢出等严重后果。针对航空用锂电池，为进一步提高电池的安全性，要求在发生短路时，即便电池外部短路保护装置失效，锂电池也不应发生影响安全的后果，鉴于此，本发明提出一种极耳的设计方法，在保证极耳所允许的载流量满足正常工作时使用要求的同时，当发生短路故障时，极耳可以在锂电池发生热失控之前熔断，起到切断短路回路，防止故障进一步扩大的风险的作用。
[0014]
本发明一方面提供了一种航空锂电池极耳设置于航空锂电池中每个锂电池单体的正负极，所述航空锂电池极耳的截面积s的范围为：s
min
≤s《其中，s
min
为保证极耳的截面积满足锂电池的额定电流时的最小截面积，t
tm
表示锂
电池进入热失控的时间，单位为秒，is表示锂电池的短路电流，单位为a，tj表示极耳最高允许温度，单位为oc，ti表示极耳初始温度，单位为oc，ktc表示极耳材料比热容，单位为j/(kg
·
℃），θ表示极耳材料密度，单位为kg/m3，ρ表示极耳材料电阻率，单位为ω
·
m，s的单位为m2。
[0015]
本发明还提供了上述航空锂电池极耳的设计方法，所述航空锂电池极耳的截面积s的确定方法包括如下步骤：根据锂电池的额定电流in及极耳材料截面积与最大载流量的对应关系，确定极耳的最小截面积s
min
，以保证极耳的截面积满足锂电池的额定电流；确定当锂电池外部发生短路时的短路电流is；利用下式计算锂电池极耳的截面积上限值：式中，t
tm
表示锂电池进入热失控的时间，单位为秒，is表示锂电池的短路电流，单位为a，tj表示极耳最高允许温度，单位为oc，ti表示极耳初始温度，单位为oc，ktc表示极耳材料比热容，单位为j/(kg
·
℃），θ表示极耳材料密度，单位为kg/m3，ρ表示极耳材料电阻率，单位为ω
·
m。
[0016]
其中，短路电流is通过如下公式计算：is=n*uo/[n*(rb+r
l
)+rj]式中，is表示锂电池的短路电流，单位为a，n表示航空锂电池中串联的锂电池单体的个数，uo表示锂电池单体的额定电压，单位为v，rb表示锂电池单体的内阻，单位为ω，r
l
表示锂电池单体的连接电阻，单位为ω，rj表示锂电池外部线束、接插件接触及短路搭接电阻，单位为ω。
[0017]
极耳的截面积上限值的推导过程如下：（1）假设锂电池发生短路时的短路电流产生的热量来不及向外发散，全部转化为极耳温升，并且短路过程中，不考虑温度变化导致的极耳电阻率变化，则短路过程中，下述能量守恒公式成立：i
s2
* r
l *ts=（tj-ti）*ktc*w
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）式中，is表示锂电池的短路电流（a），r
l
表示锂电池单体的连接电阻（ω），ts表示极耳熔断时间（s），tj表示极耳最高允许温度（oc），ti表示极耳初始温度（oc），ktc表示极耳材料比热容j/(kg
·
℃），w表示极耳重量（kg）。
[0018]
进一步，r
l =ρ*l/s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）w=θ*s*l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）式中，r
l
表示锂电池单体的连接电阻（ω），ρ表示极耳材料电阻率（ω
·
m），l表示极耳长度（m），s表示极耳的截面积（m2），w表示极耳重量（kg），θ表示极耳材料密度（kg/m3）；联立公式（1）、（2）（3）可得：ts=
式中，tj表示极耳最高允许温度，单位为oc，ti表示极耳初始温度，单位为oc，ktc表示极耳材料比热容，单位为j/(kg
·
℃），θ表示极耳材料密度，单位为kg/m3，ρ表示极耳材料电阻率，单位为ω
·
m，s表示极耳的截面积，单位为m2，is表示锂电池的短路电流，单位为a。
[0019]
之后，由极耳熔断时间ts与电池发生热失控时间t
tm
的关系ts《t
tm
可得s《，即：锂电池极耳的截面积的上限值为，式中，t
tm
表示锂电池进入热失控的时间，单位为秒，is表示锂电池的短路电流，单位为a，tj表示极耳最高允许温度，单位为oc，ti表示极耳初始温度，单位为oc，ktc表示极耳材料比热容，单位为j/(kg
·
℃），θ表示极耳材料密度，单位为kg/m3，ρ表示极耳材料电阻率，单位为ω
·
m。
[0020]
本发明还提供了一种航空锂电池，所述航空锂电池的极耳采用上述的航空锂电池极耳的设计方法进行设计。
[0021]
该航空锂电池极耳及航空锂电池，能够保证极耳所允许的载流量满足正常工作时使用要求，还能够保证极耳在锂电池因发生短路故障而发生热失控之前熔断，切断短路回路，防止锂电池进入到热失控状态，提高锂电池工作的安全性，极耳设置于航空锂电池中相邻锂电池单体之间，各个极耳均可起到保护作用，无需锂电池增加额外器件，可进一步提高锂电池的安全性。
[0022]
该航空锂电池极耳的设计方法，提供了一种在极耳保证满足载流量需求及防止电池热失控之间的一种合理设计方法，避免了为满足载流需求的导致的极耳面积的过度设计，降低了极耳的重量和体积，同时，防止了极耳选择不当，导致在锂电池正常工作时，极耳工作温度过高，影响锂电池的正常使用。
实施例
[0023]
锂电池，由32个单体串联，每个锂电池单体的标称电压3.6v，锂电池额定容量为50ah，放电倍率为2c（工作电流为100a），正极极耳材料为铝，极耳最高允许温度tj为660 o
c，极耳初始温度ti为20 o
c，极耳材料比热容ktc为0.9
×
10
3 j/(kg
·
℃)，极耳材料密度θ为2.7
×
103kg/m3，极耳材料电阻率ρ为2.83
×
10-8
ω
·
m，锂电池进入热失控的时间t
tm
为10s（注：本实例中仅以正极极耳进行说明，负极极耳可参见正极极耳）；锂电池单体的内阻rb为1.5mω，锂电池单体的连接电阻r
l 为0.13mω，锂电池组外部线束、接插件接触及短路搭接电阻rj为40mω。
[0024]
极耳的设计方法如下：s1：根据电力工程手册中，电线电缆的截面积与载流量的关系，得到铝导体载流量与截面关系如下表：
根据锂电池工作电流（100a），确定出正极极耳的截面s≥16mm2；s2：确定短路电流is：根据is=n*uo/[n*(rb+r
l
)+rj]，可得短路电流is=32*3.6/[32*(1.5+0.13)+30]*1000=1402a；s3：根据s《，可得s＜19.2mm综上，确定极耳的截面积s范围为16mm≤s《19.2mm。
[0025]
本发明的具体实施方式是按照递进的方式进行撰写的，着重强调各个实施方案的不同之处，其相似部分可以相互参见。
[0026]
上面对本发明的实施方式做了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。