一种电池内部实时产气量的测试装置及方法与流程

1.本发明属于锂电池安全技术领域，具体涉及一种电池内部实时产气量的测试装置及方法。


背景技术：

2.汽车电动化快速发展，然而，电池安全性成为电动汽车快速拓展市场的关键因素之一。因此，有关电池安全性研究日益增多，而针对电池热失控机理的研究一直是热点。在滥用条件下，电池内部会发生副反应并产生大量气体，导致电池壳体发生膨胀变形，进一步可能导致电池燃烧爆炸。对锂电池热失控演化期间的内部产气量的在线测量有助于深入理解锂电池热失控机理，并且能够为锂电池壳体的结构、强度设计提供数据支持，减少电池爆炸风险，提高电池安全性。
3.现有的锂电池内部产气量的测试主要针对常规使用条件下电池的膨胀产气，其产气速度慢、产气量小，测试环境相对静态，难以满足锂电池滥用期间快速产气的测量。此外，现有的测试方法主要是将电池内部气体导出，破坏了电池的密封结构，对电池的滥用致热失控的演化过程会产生影响，不利于对电池热失控机理的研究。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种电池内部实时产气量的测试装置及方法，可以在不破坏电池壳体的情况下实现对电池内部产气量的测量。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明的第一个方面，提供一种电池内部实时产气量的测试装置，包括：
7.防爆罐；
8.充气部件，包括导管，导管的一端连接有连接装置，导管的另一端与储气罐的出口连接，储气罐的入口通过管路与充气装置连接，导管连接有连接装置的一端伸入防爆罐内；
9.距离测试装置，设置于防爆罐内，用于测试电池的最大表面和最大对表面之间的距离，即电池厚度；
10.触发装置，设置于防爆罐底部，用于触发电池，对电池进行加热或充电。
11.本发明的进一步改进在于：
12.所述测试装置还包括紧固装置，紧固装置包括设置于防爆罐底部的支撑板，支撑板上设置有两个相对的l型夹板，支撑板与两个l型夹板之间通过螺杆和螺母固定。
13.本发明的进一步改进在于：
14.导管上由储气罐至连接装置之间依次设置有第一控制阀、第一压强检测装置和第四控制阀；储气罐上安装有第二压强检测装置，储气罐的入口通过管路与充气装置连接，在充气装置与储气罐之间的管路上安装有第二控制阀。
15.本发明的进一步改进在于：
16.距离测试装置包括尺身，尺身两端分别滑动连接有第一滑槽和第二滑槽，第一滑
槽与第二滑槽通过连接杆连接；
17.尺身上滑动连接有游标，游标上设有数据线接口，数据线接口通过数据线与数显装置连接；
18.尺身上固定设置有第一外量爪，游标上靠近第一外量爪的一端的底部固定有第二外量爪，第一外量爪和第二外量爪相对设置；
19.优选地，第一外量爪和第二外量爪均为圆片状，直接与电池表面中心摩擦接触或采用耐高温胶水粘贴在电池表面中心；
20.优选地，尺身正面设有刻度。
21.本发明的进一步改进在于：
22.触发装置为加热装置或充电装置，加热装置为加热板或加热片，通过与电池接触来为电池加热；充电装置为充电机，直接通过导线与电池正负极连接。
23.本发明的第二个方面，提供一种电池内部实时产气量的测试方法，具体包括以下步骤：
24.步骤1，将电池二固定于防爆罐内并将电池二与导管连通，利用充气部件向电池二的电池腔内进行充气，收集多个充气量值与电池厚度增量值，绘制曲线关系，拟合得到充气量n与厚度d的函数关系f，即n＝f(d)；
25.步骤2，去掉电池二，将电池一固定于防爆罐内，通过触发装置触发电池一发生热失控，记录加热或充电时间及电池一表面温度，同时通过距离测试装置监测热失控演化期间电池一的一系列厚度d
*
，将d
*
代入到步骤2得到的函数f中，计算得到一系列的n
*
，以时间或温度为横坐标，n
*
纵坐标，即得到热失控演化期间电池内部产气量的变化曲线。
26.本发明的进一步改进在于：
27.步骤1具体为：通过充气部件、导管对电池二的电池腔进行充气，获取电池腔内的充气量n，通过距离测试装置监测电池二的壳体因充气而膨胀后的厚度d，通过改变充气量n，获得一系列对应的厚度d，因此，最终得到一系列数值n1、d1，n2、d2，
…
，n
i
、d
i
，设电池二的初始厚度为d0，通过所获得的数值绘制充气量n与电池厚度增量(d
‑
d0)的关系曲线，拟合曲线得到充气量n与厚度d的函数关系f，即n＝f(d)。
28.本发明的进一步改进在于：
29.通过充气部件、导管对电池二的电池腔进行充气的操作包括：
30.(1)首先置换掉导管中的空气，并确保第一压强值p1与第二压强值p2的初始值p
10
与p
20
均等于本地大气压，其中第一压强值p1由第一压强检测装置检测到的实时的压强值，第二压强值p2由第二压强检测装置检测到的实时的压强值；
31.(2)关闭第一控制阀、打开第二控制阀，通过充气装置为储气罐充气，充气结束后关闭第二控制阀，记录第二压强值p
21
；
32.(3)打开第一控制阀、第三控制阀和第四控制阀，通过储气罐向电池腔充气，待充气稳定后，关闭第一控制阀，记录第一压强值p
12
与第二压强值p
22
，检查充气稳定的方法是：若p
12
＝p
22
，则表明充气稳定；然后关闭第三控制阀、第四控制阀；
33.(4)重复步骤(2)与(3)，步骤(2)与(3)每执行一次，则充气增加一次，电池二的电池腔内的气体不断增加，电池最终会破裂，电池破裂后，停止充气；步骤(2)与(3)每执行一次，均会得到一个数组m＝{p
21
，p
12
，p
22
}，记为第i次执行步骤(2)与
(3)时记录的数值组，即m
i
为第i次充气时得到的数值组。
34.本发明的进一步改进在于：
35.获取电池腔内的充气量n的操作包括：
36.第1次充气量：
[0037][0038]
式中，v1为储气罐的体积，v2为导管的内部体积，r为理想气体常数，t为环境温度，v2通过导管的内径及长度计算得到；
[0039]
第2次充气后的总充气量：
[0040][0041]
由于第二次充气是在第一次充气的基础上进行充气，因此第二次充气后的总充气量包含了第一次充气时的充气量；
[0042]
第t次充气后的总充气量(2<t≤i)：
[0043][0044]
本发明的进一步改进在于：
[0045]
所述步骤(1)中置换导管中空气的操作包括：
[0046]
关闭第一控制阀、第三控制阀、第四控制阀，打开第二控制阀，通过充气装置为储气罐充气，当第二压强值p2高于大气压时，关闭第二控制阀；
[0047]
依次打开连接装置、第一控制阀、第四控制阀，当排出导管中的空气后，依次关闭第四控制阀和第一控制阀，然后拧上连接装置。
[0048]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0049]
(1)可以在不破坏电池壳体的情况下实现对电池内部产气量的测量，因此可以用来研究电池热失控演化期间的电池膨胀过程。
[0050]
(2)可以实现电池因滥用造成电池发生热失控期间的产气量的在线测量，即可实现锂电池内部因副反应快速产气时，气体量的实时监测；而现有技术无法同时实现“快速产气”与“实时监测”两个条件下的产气量测量。
附图说明
[0051]
图1为本发明中提供的方壳电池的示意图；
[0052]
图2为本发明中电池内部实时产气量测试装置图；
[0053]
图3为本发明中电池紧固装置的示意图；
[0054]
图4为距离测试装置示意图；
[0055]
图5为本发明电池内部实时产气量的测试方法流程图。
[0056]
图中，10、电池，100、电池腔，101、最大表面，102、最大对表面，103、侧表面，104、侧对表面，105、上端盖，106、下表面，110、导管，120、k型热电偶，20、紧固装置，210、防爆罐，220、支撑板，230、螺母，240、螺杆，250、l型夹板，30、距离测试装置，310、尺身，320、游标，
330、第一外量爪，340、第二外量爪，350、连接杆，360、第一滑槽，370、第二滑槽，380、数据线，390、数显装置，40、触发装置，510、第一压强检测装置，520、第二压强检测装置，530、第一控制阀，540、第二控制阀，550、第三控制阀，560、第四控制阀，570、连接装置，580、充气装置，590、储气罐，60、控制装置。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
[0058]
本发明提供了一种电池内部实时产气量的测试装置及方法，首先对电池二进行充气，得到充气量n与厚度d的函数关系f，即n＝f(d)；其次通过触发装置触发(加热或充电)电池一发生热失控，记录加热或充电时间及电池一表面温度，同时监测热失控演化期间电池一的一系列厚度d
*
，将d
*
代入函数f计算得到一系列的n
*
，以时间或温度为横坐标，n
*
纵坐标，即得到热失控演化期间电池内部产气量的变化曲线。
[0059]
本发明中需要提供电池一，电池一至少包括壳体，以及装于壳体内的电芯。制备电池二，电池二与电池一的内部材料属性及壳体属性相同。
[0060]
为了便于描述电池一与电池二的共性部分，电池一与电池二统称为电池10，如图1所示，电池10的主体部分有六个表面，分别为：最大表面101、最大对表面102、上端盖105、下表面106、侧表面103、侧对表面104。其中，最大表面101与最大对表面102为电池的两个最大表面，在电池内部压力增大时，最大表面101与最大对表面102的变形最大。(图1中用虚线引出线表示了看不到的三个面)
[0061]
电池二的上端盖105上开孔，导管110的下端与孔连接，导管110与电池腔100相连通，可通过导管110对电池腔100进行充气。
[0062]
实施例1
[0063]
本发明实施例公开了一种电池内部实时产气量的测试装置，如图2所示，其结构具体包括：
[0064]
防爆罐210；
[0065]
充气部件，包括导管110，导管110的一端连接有连接装置570，导管110的另一端与储气罐590的出口连接，储气罐590的入口通过管路与充气装置580连接，导管110连接有连接装置570的一端伸入防爆罐210内；
[0066]
距离测试装置30，设置于防爆罐210内，用于测试电池的最大表面和最大对表面之间的距离，即电池厚度；
[0067]
触发装置40，设置于防爆罐210底部，用于触发电池，对电池进行加热或充电。
[0068]
进一步优选地，防爆罐210的结构可参见申请号为201610375908.x的专利申请，导管110与防爆罐210的连接处密封设置，防爆罐作用主要是保证测试安全，对罐体形状也没有特殊要求。
[0069]
进一步优选地，所述测试装置还包括紧固装置20，电池通过紧固装置20固定在防爆罐210内，紧固装置20的结构如图3所示，包括设置于防爆罐210底部的支撑板220，支撑板220上设置有两个相对设置的l型夹板250，两个l型夹板250用于夹紧电池的侧表面103和测对表面104，支撑板220与两个l型夹板250之间通过螺杆240和螺母230固定。
[0070]
进一步优选地，导管110上由储气罐590至连接装置570之间依次设置有第一控制
阀530、第一压强检测装置510和第四控制阀560；储气罐590上安装有第二压强检测装置520，储气罐590的入口通过管路与充气装置580连接，在充气装置580与储气罐590之间的管路上安装有第二控制阀540。
[0071]
充气装置580(充气装置为现有产品，只要能充气的装置就行)通过第二控制阀540为储气罐590充气，第二压强检测装置520用于检测所述储气罐590内部压强。储气罐590通过第一控制阀530为电池腔100充气，第一压强检测装置510用于检测电池腔100及导管110的压强。
[0072]
充气装置580所充气体不应与电池内部材料发生反应，且不易燃不易爆。优选地，所充气体为氩气。
[0073]
进一步优选地，电池的上端盖105的开孔处连接有一段连接管，连接管的另一端与连接装置570连接，连接管上设有第三控制阀550，设置这段连接管的作用是：便于置换导管110中的空气。因为使用储气罐590给电池腔内充气时，需要先置换掉导管110中的空气，有了这段连接管和连接装置570(连接装置570可以是现有的用于连接两个管子的接头)，可以通过打开连接装置570，使导管110中的空气从连接装置570处排出，即从导管110的下端排出。需要说明的是，连接装置570与电池腔100之间的这段连接管中的空气没有被置换，而是被忽略了，因此这段连接管的长度应尽量短点。
[0074]
进一步优选地，如图4所示，距离测试装置30包括尺身310、游标320、第一外量爪330、第二外量爪340、连接杆350、第一滑槽360、第二滑槽370、数据线380和数显装置390。
[0075]
尺身310正面有刻度，尺身310两端分别滑动连接有第一滑槽360和第二滑槽370，第一滑槽360与第二滑槽370通过连接杆350连接起来，尺身310可在第一滑槽360与第二滑槽370上滑动；尺身310上滑动连接有游标320，游标320可在尺身310上滑动，游标320上设有数据线接口，数据线接口通过数据线380与数显装置390连接，优选地，数显装置390可以是笔记本电脑，通过数据线380将游标320测得的距离数据传输到数显装置390上；尺身310上固定设置有第一外量爪330，游标320上靠近第一外量爪330的一端的端部固定有第二外量爪340，第二外量爪340可随游标320的滑动而滑动，第一外量爪330和第二外量爪340相对设置，第一外量爪330和第二外量爪340均为圆片状，材料为耐高温金属，例如铜片或钢片，直接与电池表面中心摩擦接触或使用耐高温胶水粘贴在电池表面中心。
[0076]
测量距离时，将连接杆350固定在防爆罐210内(可通过任意方式固定，如螺栓等)，因此，第一滑槽360与第二滑槽370也随之固定。最大表面101及最大对表面102因电池腔100膨胀而发生变形时，第一外量爪330和第二外量爪340能够始终分别保持紧贴在最大表面101与最大对表面102的中心。当电池发生膨胀变形时，一方面，第一外量爪330可随尺身310一起沿着第一滑槽360与第二滑槽370滑动，另一方面，第二外量爪340可随游标320一起沿着尺身310滑动，因此，游标320可以实时记录电池厚度，并通过数据线380将电池厚度的数据不断传送到数显装置390中。
[0077]
如图2所示，防爆罐内还设有触发装置40，触发装置40可以为加热装置或充电装置，其中，加热装置为加热板或加热片，通过与电池接触来为电池加热，优选的，加热装置可直接放置于电池底部，与电池底部直接接触；充电装置为充电机，直接通过导线与电池正负极连接，来为电池进行充电。
[0078]
第一控制阀530、第二控制阀540、第三控制阀550、第四控制阀560，以及触发装置
40均与控制装置60连接，且均为电连接，通过控制装置60来控制第一控制阀530、第二控制阀540、第三控制阀550和第四控制阀560的通断；通过控制装置60来控制触发装置40为电池加热或充电。
[0079]
本发明实施例一种电池内部实时产气量的测试装置，工作原理：
[0080]
首先将电池二通过紧固装置20固定在防爆罐210内，将导管110伸出到防爆罐210内且做好密封，将电池二的上端盖105的开孔处的连接管与导管110一端的连接装置570连接，通过充气部件对电池二的电池腔100进行充气，获取电池腔100内的充气量n，通过距离测试装置30监测电池二的壳体因充气而膨胀后的厚度d，通过改变充气量n，获得一系列对应的厚度d，因此，最终得到一系列数值n1、d1，n2、d2，
…
，n
i
、d
i
，设电池二初始厚度为d0，通过所获得的数值绘制充气量n与电池厚度增量(d
‑
d0)的关系曲线，拟合曲线得到充气量n与厚度d的函数关系f，即n＝f(d)；
[0081]
取掉电池二，将电池一通过紧固装置20固定在防爆罐210内，通过触发装置40以加热或充电的方式触发电池一发生热失控，记录加热或充电时间，并通过k型热电偶120监测电池一表面温度，同时通过距离测试装置30监测热失控演化期间电池一的一系列厚度d
*
，将d
*
代入函数f计算得到一系列的n
*，
以时间或温度为横坐标，n
*
为纵坐标，即可得到热失控演化期间电池内部产气量的变化曲线。
[0082]
需要说明的是，k型热电偶120可通过耐高温胶带粘贴在电池任意表面，优选的，如图2所示，由于侧表面103和测对表面104变形较小，因此将k型热电偶120粘贴在侧表面103中心或测对表面104中心，并且可由l型夹板250夹紧，保证k型热电偶120不容易脱落。
[0083]
实施例2
[0084]
本发明实施例公开了一种电池内部实时产气量的测试方法，具体流程如图4所示，具体包括以下步骤：
[0085]
步骤1，将电池二固定于防爆罐210内并将电池二与导管110连通，利用充气部件向电池二的电池腔100内进行充气，收集多个充气量值与电池厚度增量值，绘制曲线关系，拟合得到充气量n与厚度d的函数关系f，即n＝f(d)；
[0086]
具体的，通过充气部件、导管110对电池二的电池腔100进行充气，获取电池腔100内的充气量n，通过距离测试装置30监测电池二的壳体因充气而膨胀后的厚度d，通过改变充气量n，获得一系列对应的厚度d，因此，最终得到一系列数值n1、d1，n2、d2，
…
，n
i
、d
i
，设电池二的初始厚度为d0，通过所获得的数值绘制充气量n与电池厚度增量(d
‑
d0)的关系曲线，拟合曲线得到充气量n与厚度d的函数关系f，即n＝f(d)。
[0087]
优选地，电池二充气的具体过程为：
[0088]
(1)首先置换掉导管110中的空气，并确保第一压强值p1与第二压强值p2的初始值p
10
与p
20
均等于本地大气压，其中第一压强值p1由第一压强检测装置510检测到的实时的压强值，第二压强值p2由第二压强检测装置520检测到的实时的压强值；
[0089]
优选地，置换导管110中空气的方法为：
[0090]
关闭第一控制阀530、第三控制阀550、第四控制阀560，打开第二控制阀540，通过充气装置580为储气罐590充气，当第二压强值p2略高于大气压时，关闭第二控制阀540；
[0091]
依次打开连接装置570、第一控制阀530、第四控制阀560，由于储气罐590中的压强高于环境大气压，因此所述导管110中的空气会被排出(由于连接装置570已经打开，所以空
气会从连接装置570处排出，即从导管110处的下端排出)，当排出导管110中的空气后，依次关闭第四控制阀560和第一控制阀530，然后拧上连接装置570。
[0092]
(2)关闭第一控制阀530、打开第二控制阀540，通过充气装置580为储气罐590充气，充气结束后关闭第二控制阀540，记录第二压强值p
21
；
[0093]
(3)打开第一控制阀530、第三控制阀550和第四控制阀560，通过储气罐向电池腔100充气，待充气稳定后，关闭第一控制阀530，记录第一压强值p
12
与第二压强值p
22
，检查充气稳定的方法是：若p
12
＝p
22
，则表明充气稳定；然后关闭第三控制阀550、第四控制阀560；
[0094]
(4)重复步骤(2)与(3)，步骤(2)与(3)每执行一次，则充气增加一次，电池二的电池腔100内的气体不断增加，电池最终会破裂，电池破裂后，停止充气；步骤(2)与(3)每执行一次，均会得到一个数组m＝{p
21
，p
12
，p
22
}，记为第i次执行步骤(2)与(3)时记录的数值组，即m
i
为第i次充气时得到的数值组。
[0095]
上述方法中，充气量n的计算方法为：
[0096]
第1次充气量：
[0097][0098]
式中，v1为储气罐590的体积，v2为导管110的内部体积，r为理想气体常数，t为环境温度，v2可通过导管110的内径及长度计算得到。等式右边第一项代表了储气罐590为电池腔100以及相连接的导管110提供的总充气量，等式右边第二项代表了储气罐590为导管110提供的充气量；
[0099]
第2次充气后的总充气量：
[0100][0101]
由于第二次充气是在第一次充气的基础上进行充气，因此第二次充气后的总充气量包含了第一次充气时的充气量；
[0102]
第t次充气后的总充气量(2<t≤i)：
[0103][0104]
步骤2，去掉电池二，将电池一固定于防爆罐210内(电池一不需要在上端盖上设置与导管110连接的孔，进行步骤2时，导管110以及连接装置570可以不放到防爆罐210内)，通过触发装置40触发电池一发生热失控，记录加热或充电时间，并通过k型热电偶120监测电池一表面温度，同时通过距离测试装置30监测热失控演化期间电池一的一系列厚度d
*
，将d
*
代入到步骤1得到的函数f中，计算得到一系列的n
*
，以时间或温度为横坐标，n
*
纵坐标，即得到热失控演化期间电池内部产气量的变化曲线。
[0105]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0106]
最后应说明的是，上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。