本發(fā)明涉及鋰離子電池安全領(lǐng)域，具體涉及一種剛性包裝鋰離子電池爆炸傳播影響評估方法及裝置。

背景技術(shù)：

隨著科技水平和人們綠色生活理念的日臻提高，能源作為牽引時代發(fā)展的主要動力，已經(jīng)開始從原始粗獷、高污染和高消耗的生產(chǎn)形式向更精細(xì)、更清潔、更環(huán)保的方向轉(zhuǎn)變。21世紀(jì)注定是“新能源時代”，由能源的變革帶來的科技的進步和生活的便利已經(jīng)初見端倪。

作為新型能源的儲存和中轉(zhuǎn)裝置，鋰離子電池具有高能量密度、高功率特性和綠色環(huán)保等一系列優(yōu)點。近年來鋰離子電池的應(yīng)用已經(jīng)從便攜式電子設(shè)備逐步擴展到純電動汽車(electricvehicle,ev)、備用電池和電網(wǎng)儲能系統(tǒng)等大規(guī)模儲能設(shè)施中。尤其是電動汽車領(lǐng)域，新能源汽車的快速發(fā)展使得鋰離子電池的在電動汽車上得到了很大的發(fā)展，但是隨著電動汽車保有量和整車裝車容量的增加，其發(fā)生的安全事故也日益凸顯出來。

鋰離子電池作為一個封閉的、高能量密度的電化學(xué)體系，在某些極端條件下(如過充、高溫)容易出現(xiàn)危險，發(fā)生熱失控。電池的熱失控過程是一個能量在極短的時間內(nèi)釋放的不可逆過程，此過程中電池的內(nèi)部和表面溫度會驟然上升至幾百度，電池以燃燒或爆炸的形式完成能量的釋放，最終電池結(jié)構(gòu)被破壞、電性能喪失。在電池系統(tǒng)中，單體電池的安全性至關(guān)重要。但是，如果某個單體電池發(fā)生危險，由單體電池爆炸引起的同一電池組其他電池的連鎖爆炸或?qū)ζ湓斐傻钠茐呐c損傷也不容忽視。電池的爆炸一旦傳播開來，就會造成整個電池組或整個電池系統(tǒng)的爆炸。

當(dāng)單體電池的爆炸不可避免時，應(yīng)采取一切措施阻止鋰離子電池出現(xiàn)連鎖爆炸現(xiàn)象。在這里，將由外界激勵(充電、針刺、加熱等)發(fā)生爆炸的電池稱為主動電池(initiativebattery,ib)，將由主動電池爆炸引起的發(fā)生爆炸或損壞的電池成為被動電池(passivebattery,pb)。要實現(xiàn)有效地遏制電池的連鎖爆炸、制定有效的防護措施，就必須正確評估主動電池所產(chǎn)生的破壞威力和給周圍電池帶來的能量擾動、同時準(zhǔn)確掌握被動電池的安全狀態(tài)(stateofsafety,sos)，即被動電池的性能衰減情況或損毀狀態(tài)。

現(xiàn)有的鋰離子電池爆炸研究方法僅限于發(fā)生爆炸的電池某些物理行為的描述，并未對被動電池的衰減狀態(tài)和損壞等級做出評價，繼而無法針對性的建立被動電池和周圍設(shè)施及人員的防護方案。

為此，尋找一種準(zhǔn)確描述和評估鋰離子電池爆炸連鎖反應(yīng)和鋰離子電池對周邊破壞和影響的評價方法，使得快速針對性的建立被動電池和周圍設(shè)施及人員的防護方案，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員迫切需要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，本發(fā)明提供一種剛性包裝鋰離子電池爆炸傳播影響評估方法，所述方法包括：

將包括至少兩塊鋰離子電池的被測電池恒流充電至其中一個電池爆炸；所述被測電池以垂直于極片的方向依次間隔的擺放；

記錄爆炸對周圍環(huán)境產(chǎn)生的壓力變化，并計算沖擊波超壓；

對未爆炸電池進行階躍脈沖測試和容量衰減測試；

根據(jù)爆炸對周圍環(huán)境產(chǎn)生的沖擊波超壓以及對未爆炸電池的測試結(jié)果，評定爆炸沖擊后未爆炸電池的安全等級。

優(yōu)選的，所述記錄爆炸對周圍環(huán)境產(chǎn)生的壓力變化，包括：采用壓力傳感器采集爆炸過程中的壓力變化。

優(yōu)選的，所述沖擊波超壓δp按下式計算：

式中，q為tnt當(dāng)量，即釋放出相同能量所需要的tnt的質(zhì)量；r：距離電池爆炸的距離。

優(yōu)選的，所述q按下式計算：

式中，e表示爆炸能量；

所述爆炸能量e按下式計算：

式中，p為氣體絕對壓力；mpa；v為電池體積；k為氣體絕熱指數(shù)，即氣體的定壓熱熔與定容熱容之比。

優(yōu)選的，對被測電池恒流充電為：以m倍率對電池充電，其中，m為2c‐5c。

優(yōu)選的，在對被測電池恒流充電之前，還包括：

以g倍率調(diào)整所述鋰離子電池的電荷狀態(tài)為100％，其中g(shù)為0.2‐2c。

優(yōu)選的，容量衰減測試時，先將電池以x倍率放電至截止電壓，再以x倍率循環(huán)n次，取n次充放電容量平均值為實際容量；

所述x的取值為：x＝0.2‐2c；

所述n的取值為：n≥2。

優(yōu)選的，所述評定爆炸沖擊后未爆炸電池的安全等級，包括：

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h<1％，電池所受沖擊波δp<5mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為a1，未發(fā)生衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h<1％，電池所受沖擊波5mpa≤δp<10mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為a2，未發(fā)生衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h<1％，電池所受沖擊波10mpa≤δp<20mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為a3，未發(fā)生衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h<1％，電池所受沖擊波20mpa≤δp時，未爆炸電池安全狀態(tài)為a4，未發(fā)生衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度1％≤h<5％，電池所受沖擊波δp<5mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為b1，小幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度1％≤h<5％，電池所受沖擊波5mpa≤δp<10mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為b2，小幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度1％≤h<5％，電池所受沖擊波10mpa≤δp<20mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為b3，小幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度1％≤h<5％，電池所受沖擊波20mpa≤δp時，未爆炸電池安全狀態(tài)為b4，小幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度5％≤h<40％，電池所受沖擊波δp<5mpa時，未爆炸電池的安全狀態(tài)為c1，明顯衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度5％≤h<40％，電池所受沖擊波5mpa≤δp<10mpa時，未爆炸電池的安全狀態(tài)為c2，明顯衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度5％≤h<40％，電池所受沖擊波10mpa≤δp<20mpa時，未爆炸電池的安全狀態(tài)為c3，明顯衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度5％≤h<40％，電池所受沖擊波20mpa≤δp時，未爆炸電池的安全狀態(tài)為c4，明顯衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h>40％，電池所受沖擊波δp<5mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為d1，大幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h>40％，電池所受沖擊波5mpa≤δp<10mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為d2，大幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h>40％，電池所受沖擊波10mpa≤δp<20mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為d3，大幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h>40％，電池所受沖擊波20mpa≤δp時，未爆炸電池安全狀態(tài)為d4，大幅度衰減。

優(yōu)選的，所述未爆炸電池容量衰減幅度h按下式計算：

其中，所述c0為未爆炸電池的初始容量，所述c1為未爆炸電池爆炸沖擊后的實際容量。

一種剛性包裝鋰離子電池爆炸傳播影響評估裝置，所述裝置包括：充電設(shè)備、壓力傳感器、測試設(shè)備和評級設(shè)備；

所述充電設(shè)備，用于將包括至少兩塊鋰離子電池的被測電池恒流充電至其中一個電池爆炸；所述被測電池以垂直于極片的方向依次間隔的擺放；

所述壓力傳感器，用于記錄爆炸對周圍環(huán)境產(chǎn)生的壓力變化并計算沖擊波超壓；

測試設(shè)備，用于對未爆炸電池進行階躍脈沖測試和容量衰減測試；

評級設(shè)備，用于根據(jù)爆炸對周圍環(huán)境產(chǎn)生的沖擊波超壓以及對未爆炸電池的測試結(jié)果，評定爆炸沖擊后未爆炸電池的安全等級。

優(yōu)選的，所述充電設(shè)備的正負(fù)極分別連接所述被測電池的正負(fù)極；

所述充電設(shè)備用于以m倍率對被測電池進行充電至爆炸；

所述m的取值為2c‐5c倍率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)提供了一種新型的剛性包裝鋰離子電池爆炸傳播影響的評估方法，從氣體動力學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)角度衡量電池爆炸產(chǎn)生的能量擾動以及對周圍電池產(chǎn)生的影響。

(2)鋰離子電池的爆炸過程非常短暫，普通方法無法準(zhǔn)確表征其行為和產(chǎn)生的影響，本發(fā)明提出以壓力和溫度來表征整個爆炸過程，方法簡便，容易實現(xiàn)。

(3)根據(jù)爆炸后的氣體參數(shù)和溫度分布，結(jié)合電化學(xué)設(shè)備，檢測被動電池的安全狀態(tài)，并對其進行描述，評定安全狀態(tài)等級。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電池爆炸傳播測試裝置示意圖；

圖2為本發(fā)明的電池階躍特性及內(nèi)阻測試示意圖；

圖3為本發(fā)明的電池容量衰減測試示意圖；

圖4為本發(fā)明的帶紅外熱成像設(shè)備的電池爆炸傳播測試裝置示意圖；

其中，1‐被測電池，2‐壓力傳感器，3‐充放電設(shè)備，4‐初始容量，5充電容量，6‐放電容量、7‐紅外熱成像設(shè)備。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合說明書附圖和實例對本發(fā)明的內(nèi)容做進一步的說明。

本發(fā)明以三塊被測電池為例進行說明如下。

評價一種剛性包裝三元體系鋰離子電池爆炸傳播影響，如圖1所示，電池標(biāo)定容量9ah，立方體形。主要包括如下步驟：

步驟一：將三塊剛性包裝的鋰離子電池以0.2-2c的倍率調(diào)整soc為100％，分別編號a、b、c，并將電池以垂直于極片的方向擺放，電池間隔為5-8mm。

步驟二：以2c-5c倍率電池將電池恒流充電至爆炸。架設(shè)壓力傳感器，距電池中心距離為l2＝100-200mm。記錄爆炸產(chǎn)生的絕對壓力131.25kpa。

步驟三：根據(jù)爆炸能量計算公式(1)，計算爆炸所產(chǎn)生的能量為0.9j。

并根據(jù)公式(2)，將爆炸能量折算為tnt當(dāng)量為2×10^‐7kg。

并根據(jù)公式(3)計算得到距離電池爆炸中心5mm出的沖擊波超壓δp為22.80mpa。

步驟四：對未爆炸電池進行階躍脈沖測試和容量衰減測試

如圖2所示，電池未發(fā)生爆炸，對電池進行階躍脈沖測試，測試脈沖電流為1/3c-1/2c，單次脈沖結(jié)束后電池靜置1h，容量測試時，先將電池以0.2-2c倍率放電至截止電壓，在以0.2-2c倍率循環(huán)5次，取5次充放電容量平均值為實際容量，測試電池實際容量為9.834ah。

如圖3所示，被動電池容量衰減幅度按下式計算:

式中，c0：初始容量；c1：實際容量。

步驟五：評定爆炸沖擊后未爆炸電池的安全等級：

h＝(10-9.834)/10＝1.66％，1％<h<5％，δp＝22.80mpa。

所以評定電池安全等級為b4級。

基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明實施例還提供了一種剛性包裝鋰離子電池爆炸傳播影響評估裝置，這些設(shè)備的實施與一種剛性包裝鋰電子電池爆炸傳播影響評估方法的原理相似，重復(fù)之處不再贅述。

該裝置可以包括：充放電設(shè)備、壓力傳感器、測試設(shè)備和評級設(shè)備；

充電設(shè)備，用于將包括至少兩塊鋰離子電池的被測電池恒流充電至其中一個電池爆炸；被測電池以垂直于極片的方向依次間隔的擺放；

壓力傳感器，用于記錄爆炸對周圍環(huán)境產(chǎn)生的壓力變化并計算沖擊波超壓；

測試設(shè)備，用于對未爆炸電池進行階躍脈沖測試和容量衰減測試；

評級設(shè)備，用于根據(jù)爆炸對周圍環(huán)境產(chǎn)生的沖擊波超壓以及對未爆炸電池的測試結(jié)果，評定爆炸沖擊后未爆炸電池的安全等級。

具體實施時，被測電池至少有兩個(例如：可以是2個、3個、5個或更多個)，且相互間隔放置；

充放電設(shè)備的正負(fù)極分別連接被測電池的正負(fù)極；

壓力傳感器分別設(shè)置在距被測電池中心距離為l2的位置，用于測試爆炸產(chǎn)生的壓力變化；

充放電設(shè)備用于以m倍率對被測電池進行充電至爆炸；其中，m的取值為2c-5c倍率。

壓力傳感器用于測試距被測電池中心距離為l2的位置處由爆炸產(chǎn)生的壓力變化；

安全等級的評定模塊包括電池衰減幅度計算模塊和等級設(shè)定子模塊；

電池容量衰減幅度計算模塊按下式計算電池衰減幅度h：

式中，c0：初始容量；c1：實際容量。

等級設(shè)定子模塊對剛性包裝鋰離子電池的安全等級評定包括：

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h<1％，電池所受沖擊波δp<5mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為a1，未發(fā)生衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h<1％，電池所受沖擊波5mpa≤δp<10mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為a2，未發(fā)生衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h<1％，電池所受沖擊波10mpa≤δp<20mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為a3，未發(fā)生衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h<1％，電池所受沖擊波20mpa≤δp時，未爆炸電池安全狀態(tài)為a4，未發(fā)生衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度1％≤h<5％，電池所受沖擊波δp<5mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為b1，小幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度1％≤h<5％，電池所受沖擊波5mpa≤δp<10mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為b2，小幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度1％≤h<5％，電池所受沖擊波10mpa≤δp<20mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為b3，小幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度1％≤h<5％，電池所受沖擊波20mpa≤δp時，未爆炸電池安全狀態(tài)為b4，小幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度5％≤h<40％，電池所受沖擊波δp<5mpa時，未爆炸電池的安全狀態(tài)為c1，明顯衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度5％≤h<40％，電池所受沖擊波5mpa≤δp<10mpa時，未爆炸電池的安全狀態(tài)為c2，明顯衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度5％≤h<40％，電池所受沖擊波10mpa≤δp<20mpa時，未爆炸電池的安全狀態(tài)為c3，明顯衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度5％≤h<40％，電池所受沖擊波20mpa≤δp時，未爆炸電池的安全狀態(tài)為c4，明顯衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h>40％，電池所受沖擊波δp<5mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為d1，大幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h>40％，電池所受沖擊波5mpa≤δp<10mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為d2，大幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h>40％，電池所受沖擊波10mpa≤δp<20mpa時，未爆炸電池安全狀態(tài)為d3，大幅度衰減；

當(dāng)未爆炸電池容量衰減幅度h>40％，電池所受沖擊波20mpa≤δp時，未爆炸電池安全狀態(tài)為d4，大幅度衰減。

當(dāng)電池爆炸時，爆炸的電池的安全等級為e。

如圖4所示，具體實施時，所述剛性包裝鋰離子電池爆炸傳播影響評估裝置還可以包括紅外熱成像設(shè)備，用于記錄爆炸過程中的溫度分布和變化。

其中，所述紅外熱成像設(shè)備的紅外圖像輸入端可以距電池中心l1處放置，輸出端輸出爆炸前后溫度分布的紅外圖譜。

本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白，本申請的實施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計算機程序產(chǎn)品。因此，本申請可采用完全硬件實施例、完全軟件實施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實施例的形式。而且，本申請可采用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器、cd-rom、光學(xué)存儲器等)上實施的計算機程序產(chǎn)品的形式。

本申請是參照根據(jù)本申請實施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計算機程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計算機程序指令實現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合?？商峁┻@些計算機程序指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。

這些計算機程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品，該指令裝置實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。

這些計算機程序指令也可裝載到計算機或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，使得在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計算機實現(xiàn)的處理，從而在計算機或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。

以上僅為本發(fā)明的實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在申請待批的本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。