一种锂离子电池组连锁爆炸的检测系统和概率评估方法

1.一种锂离子电池组连锁爆炸的概率评估方法，其特征在于，该概率评估方法包括以下步骤：
1)测定组成所述锂离子电池组的单体电池在不同温度下发生爆炸的概率，根据数据拟合获得单体电池的爆炸概率YT与温度T的关系式：YT＝f(T)；
2)测定组成所述锂离子电池组的单体电池在不同变形量下发生爆炸的概率，根据数据拟合获得单体电池的爆炸概率YN与变形量N的关系式：YN＝f(N)；
3)根据步骤1)和步骤2)得出所述单体电池在不同温度和变形量下发生爆炸的总概率Y的表达式为Y＝af(T)+bf(N)，其中，a、b为调节系数，1≤a≤1.5，1≤b≤1.3；
4)检测所述锂离子电池组中各单体电池的温度和变形量，根据步骤3)所述Y的表达式计算出各单体电池的爆炸概率，所述锂离子电池组连锁爆炸概率为各单体电池中最高的爆炸概率。
2.根据权利要求1所述的概率评估方法，其中，所述锂离子电池组包括多个单体电池，所述单体电池以串联、并联或串并联的方式相连接。
3.根据权利要求1所述的概率评估方法，其中，步骤3)中a的取值与温度T满足以下关系式：
4.根据权利要求1所述的概率评估方法，其中，步骤3)中b的取值与变形量N满足以下关系式：
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的概率评估方法，其中，所述概率评估方法采用锂离子电池组连锁爆炸的检测系统实施，该检测系统包括：防爆箱、电池夹持装置、实时检测装置、实时接收装置和工况装置；
所述电池夹持装置安装在防爆箱内，用于夹持锂离子电池组；
所述实时检测装置包括分别用于检测所述锂离子电池组中各单体电池的温度和变形量的温度传感器和应变片；
所述实时接收装置用于实时接收所述实时检测装置的数据；
所述工况装置与锂离子电池组相连接。
6.根据权利要求5所述的概率评估方法，其中，所述检测系统还包括压力传感器、高速摄像机和同步控制器；
所述高速摄像机和压力传感器连接于所述同步控制器，
所述压力传感器布置于锂离子电池组的周围，
所述高速摄像机布置在防爆箱外的可视窗口处。
7.根据权利要求5所述的概率评估方法，其中，所述实时检测装置还包括热成像仪。
8.根据权利要求5所述的概率评估方法，其中，所述工况装置包括恒流充电装置、恒流放电装置、循环高倍率电流充放电装置、循环低倍率电流充放电装置、过度充电装置、过度放电装置、外部短路装置、高温储存装置和碰撞变形装置中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的概率评估方法，其中，所述恒流充电装置为高温恒流充电装置。
10.根据权利要求8所述的概率评估方法，其中，所述恒流放电装置为高温恒流放电装置。
11.根据权利要求8所述的概率评估方法，其中，所述循环高倍率电流充放电装置为高温循环高倍率电流充放电装置。
12.根据权利要求8所述的概率评估方法，其中，所述循环低倍率电流充放电装置为高温循环低倍率电流充放电装置。

一种锂离子电池组连锁爆炸的检测系统和概率评估方法\n技术领域\n[0001] 本发明属于电池组安全性能检测领域，具体涉及一种锂离子电池组连锁爆炸的概率评估方法，以及一种锂离子电池组连锁爆炸的检测系统。\n背景技术\n[0002] 锂离子电池是目前发展前景非常好的一种“绿色电池”，与其它电池相比，锂离子电池具有储能效率高和使用寿命长等优点。由于锂离子电池具有工作电压高、比能量大、体积小、可快速充放电等一系列显著优点，现广泛应用于电动汽车、便携式设备、能量储存、航空航天等领域。\n[0003] 但锂离子电池因其高能量密度及采用有机易燃电解液体系，当发生滥用或使用环境较差时，在一定条件下会引发热失控，引起安全事故，比如燃烧或爆炸。当单体锂离子电池通过一定的安装方式组成电池组时，部分单体电池可能因为电池组箱的结构设计等原因会处于高温环境，从而引发热失控，进而引发整个电池组的连锁爆炸。\n[0004] 现有相关的锂离子电池标准对单体锂离子电池提出了很高的要求，但对锂离子电池成组后的安全性评估方法还近乎没有。为了避免锂离子电池组使用时安全隐患的发生，亟需提供一种对锂离子电池组的连锁爆炸可能性进行评估的方法和检测系统，以得到不同工况下锂离子电池组引发连锁爆炸的条件，进而对锂离子电池组进行相应的结构改进，提高单体电池成组后的安全性能。\n发明内容\n[0005] 为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种锂离子电池组连锁爆炸的概率评估方法，以及一种锂离子电池组连锁爆炸的检测系统，可用于实时检测不同工况下锂离子电池组发生连锁爆炸的概率。\n[0006] 根据本发明的第一方面，本发明提供了一种锂离子电池组连锁爆炸的概率评估方法，该概率评估方法包括以下步骤：\n[0007] 1)测定组成所述锂离子电池组的单体电池在不同温度下发生爆炸的概率，根据数据拟合获得单体电池的爆炸概率YT与温度T的关系式：YT＝f(T)；\n[0008] 2)测定组成所述锂离子电池组的单体电池在不同变形量下发生爆炸的概率，根据数据拟合获得单体电池的爆炸概率YN与变形量N的关系式：YN＝f(N)；\n[0009] 3)根据步骤1)和步骤2)得出所述锂离子单体电池在不同温度和变形量下发生爆炸的总概率Y的表达式为Y＝af(T)+bf(N)，其中，a、b为调节系数，1≤a≤1.5，1≤b≤1.3；\n[0010] 4)检测所述锂离子电池组中各单体电池的温度和变形量，根据步骤3)所述Y的表达式计算出各单体电池的爆炸概率，所述锂离子电池组连锁爆炸概率为各单体电池中最高的爆炸概率。\n[0011] 根据本发明的第二方面，本发明提供一种锂离子电池组连锁爆炸的检测系统，该检测系统包括：防爆箱、电池夹持装置、实时检测装置、实时接收装置和工况装置；\n[0012] 所述电池夹持装置安装在防爆箱内，用于夹持锂离子电池组；\n[0013] 所述实时检测装置包括分别用于检测所述锂离子电池组中各单体电池的温度和变形量的温度传感器和应变片；\n[0014] 所述实时接收装置用于实时接收所述实时检测装置的数据；\n[0015] 所述工况装置与锂离子电池组相连接。\n[0016] 本发明的锂离子电池组连锁爆炸的检测系统和概率评估方法可用于检测锂离子电池组在不同工况下的实时连锁爆炸概率，也可以用于确定锂离子电池在不同工况下发生连锁爆炸反应的临界条件，进而做出有针对性的安全性防控，从而提高锂离子电池组的安全性；本发明的评估方法和检测系统可适用于不同材料的锂离子电池组。\n具体实施方式\n[0017] 为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不用于限制本发明。\n[0018] 根据本发明的第一方面，本发明提供了一种锂离子电池组连锁爆炸的概率评估方法，该概率评估方法包括以下步骤：\n[0019] 1)测定组成所述锂离子电池组的单体电池在不同温度下发生爆炸的概率，根据数据拟合获得单体电池的爆炸概率YT与温度T的关系式：YT＝f(T)；\n[0020] 2)测定组成所述锂离子电池组的单体电池在不同变形量下发生爆炸的概率，根据数据拟合获得单体电池的爆炸概率YN与变形量N的关系式：YN＝f(N)；\n[0021] 3)根据步骤1)和步骤2)得出所述锂离子单体电池在不同温度和变形量下发生爆炸的总概率Y的表达式为Y＝af(T)+bf(N)，其中，a、b为调节系数，1≤a≤1.5，1≤b≤1.3；\n[0022] 4)检测所述锂离子电池组中各单体电池的温度和变形量，根据步骤3)所述Y的表达式计算出各单体电池的爆炸概率，所述锂离子电池组连锁爆炸概率为各单体电池中最高的爆炸概率。\n[0023] 本发明步骤1)中，得到组成待测锂离子电池组的单体电池的爆炸概率YT与温度T的关系式的方法可以为：测定多个锂离子单体电池在不同温度下发生爆炸的概率，具体是测定在一定温度下，多个锂离子单体电池中发生爆炸的锂离子单体电池的数量占单体电池总数量的比例。更具体地，将多个锂离子电池加热到一定温度后，放置24h，其中，发生爆炸的锂离子电池的数量占电池总数量的比例即为锂离子单体电池在此温度下发生爆炸的概率。本领域技术人员可以根据测得的爆炸概率与温度的关系选择合适的拟合方法。\n[0024] 本发明步骤2)中，得到组成待测锂离子电池组的单体电池的爆炸概率YN与变形量N的关系式的方法可以为：测定多个锂离子单体电池在不同变形量下发生爆炸的概率，具体是测定在一定变形量下，多个锂离子电池中发生爆炸的锂离子电池的数量占电池总数量的比例，即为锂离子单体电池在此变形量下发生爆炸的概率。本领域技术人员可以根据测得的爆炸概率与变形量的关系选择合适的拟合方法。\n[0025] 本发明中，所述Y的表达式的得到步骤可以在检测所述锂离子电池组中各单体电池的温度和变形量之前进行，也可以在之后进行，还可以与之同时进行，不做具体限定。\n[0026] 根据本发明，所述锂离子电池组可以包括多个单体电池，所述单体电池可以以串联、并联或串并联的方式相连接；所述锂离子电池组中也可以包括不相连接的单体电池。\n[0027] 根据本发明，步骤3)中，a调节系数的取值根据锂离子单体电池温度的不同而变化，具体地，a的取值与温度T满足以下关系式：\n[0028]\n[0029] b调节系数的取值根据锂离子单体电池变形量的变化而改变，具体地，b的取值与变形量N满足以下关系式：\n[0030]\n[0031] 根据本发明的第二方面，本发明提供了一种锂离子电池组连锁爆炸的检测系统，该检测系统包括：防爆箱、电池夹持装置、实时检测装置、实时接收装置和工况装置；\n[0032] 所述电池夹持装置安装在防爆箱内，用于夹持锂离子电池组；\n[0033] 所述实时检测装置包括分别用于检测所述锂离子电池组中各单体电池的温度和变形量的温度传感器和应变片；\n[0034] 所述实时接收装置用于实时接收所述实时检测装置的数据；\n[0035] 所述工况装置与锂离子电池组相连接。\n[0036] 本发明中，所述温度传感器放置在所述锂离子电池组中各单体电池的离电池体心最近的面的中心处，用于检测锂离子电池组中各单体电池的温度。\n[0037] 所述应变片放置在所述锂离子电池组中各单体电池的离电池体心最近的面的中心处，用于检测锂离子电池组中各单体电池的应变变化量。\n[0038] 根据本发明，所述检测系统还可以包括压力传感器、高速摄像机和同步控制器，所述高速摄像机和压力传感器连接于所述同步控制器。\n[0039] 所述高速摄像机布置在防爆箱外并通过防爆箱周围的可视窗记录电池组爆炸前和爆炸过程的图像。\n[0040] 所述压力传感器布置于锂离子电池组的周围用于检测锂离子电池组连锁爆炸过程的压力。\n[0041] 所述同步控制器可以通过防爆箱内的声音或其它信号触发，同步控制所述高速摄像机和所述压力传感器记录锂离子电池组连锁爆炸过程的压力和图像，为锂离子电池组发生连锁爆炸后的危害性分析和安全防护等研究提供压力和图像数据支持。\n[0042] 根据本发明，所述实时检测装置还可以包括热成像仪，用于辅助检测锂离子电池组中各单体电池的温度，所述热成像仪布置于能够准确检测所述锂离子电池组的温度分布，为电池组壳体的风道设计提供准确的温度数据。其中热成像仪最好正对于所述电池组。\n[0043] 根据本发明，所述工况装置可以包括但不限于以下类型：恒流充电装置、恒流放电装置、循环高倍率电流充放电装置、循环低倍率电流充放电装置、过度充电装置、过度放电装置、高温恒流充电装置、高温恒流放电装置、高温循环高倍率电流充放电装置、高温循环低倍率电流充放电装置、外部短路装置、高温储存装置和碰撞变形装置中的至少一种。\n[0044] 所述工况装置根据锂离子电池组的测试工况进行相应的选择；所述工况装置可根据需要连接与防爆箱的内部或者外部，具体以能够实现所需工况为目的，位置不作限定，例如，短路装置可安装在防爆箱内，充放电装置可安装于防爆箱外。\n[0045] 本发明中，根据所述实时接收装置记录的数据，可以算出不同时刻锂离子电池组中各单体电池的概率，从而得到所述锂离子电池组在此工况下此时刻连锁爆炸的概率，以及锂离子电池组发生爆炸的临界条件。\n[0046] 以下将通过实施例对本发明进行详细描述。\n[0047] 以三元锂离子电池对本发明的锂离子电池组连锁爆炸的检测系统和概率评估方法进行详细说明。\n[0048] 实施例和对比例是以相同的容量为10Ah的三元锂离子电池为实施对象，所采用的锂离子电池组是由两组并联的五块串联锂离子单体电池组成。\n[0049] 实施例1\n[0050] 本实施例用于说明本发明的锂离子电池组连锁爆炸的概率评估方法，以及锂离子电池组连锁爆炸的检测系统。\n[0051] 所述检测系统包括：防爆箱、电池夹持装置、实时检测装置、实时接收装置、工况装置、压力传感器、同步控制器和高速摄像机。\n[0052] 所述电池夹持装置安装在防爆箱内，用于夹持待测的锂离子电池组。\n[0053] 所述实时检测装置包括分别用于检测所述锂离子电池组中各单体电池温度的温度传感器和热成像仪，以及用于检测各单体电池变形量的应变片，所述温度传感器和应变片放置于各单体电池中离电池体心最近的面的中心处，所述热成像仪正对于所述电池组放置，所述实时检测装置的信号输出端连接于实时接收装置。\n[0054] 所述压力传感器布置于锂离子电池组的周围，所述高速摄像机布置在防爆箱外的可视窗口处，所述同步控制器通过防爆箱内的声音触发，同步控制所述高速摄像机和所述压力传感器。\n[0055] 锂离子电池组分别在以下两个工况下进行检测：\n[0056] 工况1：锂离子电池组的测试工况为恒流充电工况，恒流充电工况装置通过充电电缆与电池组连接。\n[0057] 运行恒流充电工况装置，对锂离子电池组进行过充电，通过所述实时接收装置实时接收所述锂离子电池组中各单体电池的温度和变形量。\n[0058] 变更充电电流，得到不同充电电流情况下，锂离子电池组中各单体电池的温度和变量。\n[0059] 工况2：锂离子电池组的测试工况为外部短路工况，外部短路工况装置安装在防爆箱中。\n[0060] 运行外部短路工况装置，对锂离子电池组进行短路测试，通过所述实时接收装置实时接收所述锂离子电池组中各单体电池的温度和变形量。\n[0061] 所述评估方法包括：\n[0062] 1)测定多个组成锂离子电池组的三元锂离子单体电池在不同温度下发生爆炸的概率，具体地，将单体电池分别加热到不同温度，放置24h，观察电池发生爆炸的情况，如表1所示。\n[0063] 表1\n[0064]\n加热温度/℃ 单体电池数量/个 发生爆炸的单体电池数量/个 发生爆炸的概率\n50 10 无 0\n60 10 无 0\n70 10 无 0\n80 10 1 0.1\n90 10 2 0.2\n110 10 6 0.6\n120 10 8 0.8\n[0065] 根据表1中的数据拟合锂离子单体电池的爆炸概率YT与温度T的关系式为：YT＝\n2.31936-0.08295T+8.90269×10-4T2-2.53623×10-6T3(T>60℃)，当T≤60℃时，YT＝0。\n[0066] 2)测定多个组成锂离子电池组的三元锂离子单体电池在不同变形量下发生爆炸的概率，观察多个单体电池在一定变形量下发生爆炸的情况，结果如表2所示。\n[0067] 表2\n[0068]\n变形量* 单体电池数量/个 发生爆炸的单体电池数量/个 发生爆炸的概率\n0.2 5 无 0\n0.3 10 1 0.1\n0.4 10 2 0.2\n0.5 10 7 0.7\n[0069] *N电池厚度的变化量\n[0070] 根据表2中的数据拟合锂离子单体电池的爆炸概率YN与变形量N的关系式为：YN＝\n0.2844-2.8902N+7.4411N2(N>0.2)，当N≤0.2时，YN＝0。\n[0071] 3)根据步骤1)和步骤2)得出所述三元锂离子单体电池在不同温度和变形量下发生爆炸的总概率表达式为Yi＝a×YTi+b×YNi，Yi代表某一温度和变形量条件下的爆炸总概率，其中，YTi和YNi的取值≥0(通过关系式计算得到负值时，即为在此温度或变形量下不发生爆炸，YTi或YNi的取值为0)，a和b为调节系数，a的取值与温度T满足以下关系式：\n[0072] b的取值与变形量N满足以下关系\n式：\n[0073]\n[0074] 4)将上述两种工况下检测得到的所述三元锂离子电池组中各单体电池的温度和变形量，带入步骤3)所述Y的表达式计算出各单体电池的爆炸概率，得到各单体电池中的最高爆炸概率即为此工况下此时刻锂离子电池组连锁爆炸概率，具有最高爆炸概率的单体电池的温度和变形量，以及锂离子电池组连锁爆炸概率的具体数据(示例性的取3组数据)如表3所示。\n[0075] 表3\n[0076]\n[0077] 对比例\n[0078] 将20个所述锂离子电池组分别置于与表3所示相同的各工况下进行测定，得到相应工况下相应时刻锂离子电池组的实际爆炸概率，如表4所示。\n[0079] 表4\n[0080]\n[0081] 经对比得出，根据本发明的评估方法及检测系统得到的锂离子电池组连锁爆炸概率与试验测定得到的实际爆炸概率差值在0.025以内，证明本发明的评估方法和检测系统具有较高的准确性。\n[0082] 以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。