一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池安全测试技术领域，尤其是一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法。


背景技术：

2.随着储能技术的快速发展，锂离子电池在动力及储能领域得到了越来越广泛地应用。动力锂离子电池由于工作电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应以及无污染等优点，越来越多的应用于新能源汽车以及特种车辆的车载储能领域。在锂离子电池大规模应用的背景下，锂离子电池的安全，尤其是具有高能量密度的动力锂离子电池的安全也越来越受到人们的重视。
3.在锂离子电池安全方面，锂离子电池的热失控是造成诸多事故发生的主要元凶，在热失控发生的各个阶段有可能会产生各种烟气，而这些烟气一旦扩散到较为密闭的工作场地并达到一定浓度有可能会造成相关人员的人身伤害。因此需要一种专门针对此类事故的安全评估办法来评估锂离子电池系统在发生热失控并产生烟气时是否在有效的疏散人员之前能够不对相关人员造成人身伤害。


技术实现要素：

4.本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法，可有效评估动力锂离子电池在实际使用过程中在发生热失控过程中产生的烟气是否会对人造成人身危险。
5.为实现发明目的，本发明提供的一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法，其技术方案是：
6.一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法，试验过程包括如下步骤：
7.s1，选择动力锂离子电池系统中带独立外壳的电池包为实验对象，将实验对象放入模拟使用环境建立好的试验场地，并对试验对象进行过充至触发热失控或过充后进行加热实验至触发热失控；
8.s2，根据热失控状况观察热失控扩展范围，判断是否需要增加实验对象；
9.s3，对实验场地模拟使用环境进行气体采样，分析采样气体的成分及浓度，将气体分为对人体有害气体和易燃易爆气体；
10.s4，根据采样数据，绘制每个采集点的可燃气体和有毒气体的浓度-时间曲线，并分别进行危害性评价分析。
11.进一步的，步骤s1中还包括：
12.s11，对实验对象过充至电池达到在故障模式下可能出现的最高荷电状态，观察电池是否会发生热失控；
13.s12，如发生热失控则直接进入步骤s2，如未发生热失控，进入步骤s13；
14.s13，选择电池包的一个电池单体进行加热，直到电池发生热失控后进入步骤s2。
15.进一步的，步骤s2包括如下步骤：
16.s21，观察作为实验对象的电池包热失控扩展情况；
17.s22，若实验对象内部分电池热发生失控，则直接进入步骤s3，否则，进入步骤s23；
18.s23，若实验对象内所有电池均发生热失控，增加实验对象直至实验对象扩充到整个电池系统，验证电池系统热失控的最大范围，并进入步骤s3。
19.进一步的，步骤s3中，试验场地处于模拟逃生状态，并在试验场地布置多组采样点，每组采样点包括多个采样位置，从热失控开始到烟气消失完成额定次数的采样分析。
20.进一步的，步骤s3还包括测定发生热失控的电池的产气速度h1、烟气从壳体向试验场地泄露气体的速率h2、试验场地与外部空间通风换气的速率h3，步骤s4的评价分析包括：
21.若h3＞h2，电池热失控产生的烟气可以完全排出到外部空间，判断电池热失控产生的烟气没有威胁，；
22.若h2＞h3，计算试验场地的内有害气体浓度及可燃气体爆炸极限，并进行有害气体浓度被危害性和爆炸危害的评价。
23.进一步的，当h2＞h3时，若电池热失控释放的烟气向试验场地扩散的时间小于人员安全疏散时间，计算泄露到试验场地的气体浓度，根据各种有害气体所占百分比计算试验场地的有害气体浓度，根据可燃气体百分比计算试验场地的混合气体爆炸极限和/或各可燃气体的爆炸极限。
24.进一步的，计算泄露到试验场地的气体浓度时，分别计算：
25.电池发未发生气泄露时气体物质的量
26.电池发生热失控后排气并达到稳定后气体物质的量
27.电池因热失控产生的气体总量n3＝n
2-n1；
28.泄露到试验场地的气体总量为n＝λn3；
29.试验场地在安全疏散时间内所能达到最大的气体浓度为
30.其中，n1为实验对象所在空间内初始气体物质的量，单位mol；p1为实验对象所在空间内初始压强，单位pa；v1为实验对象所在空间体积，单位l；r为理想气体常数，单位j/mol
·
k；t1为初始环境温度,单位k；n2为实验对象所在空间内电池排气后达到稳定状态后气体物质的量，单位mol；p2为实验对象所在空间内达到稳定状态后压强,单位pa；t2为达到稳定状态后环境温度,单位k；m为电池包发生漏气的补偿系数，λ为参数，通风换气效率，v2为试验场地体积，单位l。
31.进一步的，n1,n2,n3……
为各可燃气体所占百分比，l1，l2，l3……
为各可燃气体的爆炸上/下限，根据混合气体爆炸极限分别计算混全气体的爆炸上限和下限。
32.进一步的，当h2＞h3时，若电池热失控释放的烟气向试验场地扩散的时间大于人员安全疏散时间，利用h2与h3之间的差值与人员疏散时间的关系计算释放到试验场地的气体浓度，根据各种有害气体所占百分比计算试验场地的气体浓度，根据可燃气体百分比计算试验场地的混合气体爆炸极限。
33.进一步的，试验场地在安全疏散时间内能达到最大的气体浓度其中,t为安全疏散时间，单位s，v2为试验场地体积,单位l。
34.综上所述，本发明提供的一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法，与现有技术相比，具有如下技术优势：
35.1.提供一种完善的试验及评价方法，可对电池发生热失控过程中产生的烟气是否对人体造成危害进行全面的评估，可将评估结果用于指导生产、应用，确保生产、应用的安全；
36.2.试验方法、简单，计算数据量小，工作量小；
37.3.通过锂离子电池产气速率、人员安全疏散时间、试验场地本身通风换气效率以及锂离子电池热失控所产生烟气的成份分析等几个方面进行综合分析研判，尤其是结合了试验场地本身通风换气效率，最终的评价结果更真实，贴近实际使用情况，真实评估动力锂离子电池在实际使用过程中如果发生热失控是否会产生危害，以避免可能发生的事故。
附图说明：
38.图1：本发明一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法流程示意图；
39.图2：本发明一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法中试验场布置结构示意图；
40.图3：本发明一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法中气体浓度-时间曲线示意图；
41.图4：本发明一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法中烟气评价流程示意图；
42.图中：模拟车厢1，充电机2，电池包3，电池单体31，电池箱4，采样点5。
具体实施方式
43.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
44.本发明提供了一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法，以轨道车辆上应用的动力锂离子电池为例，介绍评价试验方法中使用的试验装置及试验方法。
45.轨道车辆在车内设置动力锂离子电池，为车内部分器件提供备用电源或驱动电源，在动力锂离子电池在轨道车辆上实际使用之前，需进行抽样检测，尤其是需对该种类/规格的动力锂离子电池的热失控烟气安全进行评价分析，以确认该批次的动力锂离子电池在使用过程中的安全性，并按评价结果以及评价过程中获得的有害气体、易燃气体的浓度发展，指导一旦发生动力锂离子电池的热失控后的人员疏散安全，以确保在实际使用过电池包3在实际车辆上安装使用的安全性。在本实施例中，以轨道车辆用动力锂离子电池为
例，介绍热失控产生的烟气的评价试验方法。
46.如图2所示，模拟车厢1模拟动力锂离子电池的实际使用范围，模拟车厢1内座椅等内饰结构、门和窗的布置、车厢的ip等级及放置电池包3的电池箱4位置、尺寸与实际车辆的车厢完全一致。参与试验的电池包3放置在电池箱4内，进行热失控触发操作。在模拟车厢1内设置多个采样点5，在本实施例中，在模拟车厢1内设置多个气体采样位置，至少包括设置在模拟车厢1(车辆前进方向)的前端、中部、后端的三组采样位置，每组采样位置包括6个采样点，每组采样位置的采样点5纵向排列，分别距模拟车厢1底部高0.5m、1m、1.5m、1.7m、1.9m、2m六个位置布置，用于模拟不同身高的乘客口鼻位置的高度和/或安全疏散过程中可能出现的包括匍匐前进过程中的乘客口鼻位置高度。每组采样位置的各采样点3可设置在模拟车厢1中部的人行通道上，为采样准确，每个采样位置横向水平设置均设置三组每组6个采样点，即每组采样位置共设置18个采样点，分别检测人行通道处及人行通道两侧的乘客座椅处的烟气数据，以获取准确采样数据。
47.在本实施例中，以模拟车厢1为试验场地，以安装在实际车辆上位于车厢内的动力锂离子电池为实验对象，介绍本发明提供的一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法，如图1所示，评价试验包括如下步骤：
48.s1，选定实验对象，以电池箱4内的一个电池包4为实验对象。在将实验对象放入建立好的如前文所述的模拟车厢1(试验场地)的电池箱4内，并通过外接或模拟车厢1本身的充电机2对作为实验对象的动力锂离子电池包3进行过充，过充后再进行加热实验，以确保其会被触发热失控，进行后续的试验及评价操作。实际应用中，选择电池系统中带独立壳体的电池包3为实验对象，若电池系统中不存在具备独立壳体的电池包3，需根据电池系统壳体结构设计实验工装，以模拟电池发生热失控后的烟气排放状态。
49.电池包3的过充过程包括：
50.s11：利用充电机2对电池包3进行过度充电实验，并过充至由系统充电机2最高允许输出电压计算得到的该电池单元所能达到的最高电压，使电池包3达到在故障模式下可能出现的最高荷电状态，观察电池包3是否会发生热失控。
51.其中，充电机2最高电压为u1，电池系统中电池包3的串联数量为n，参与实验的电池包中电池单元的串联数量为n，则该电池包3所能达到的最高电压为u1/n*n，以此电压作为过充电压，对电池包3进行过度充电。
52.s12：若过充过程中电池包3发生热失控则直接转至步骤s2，如果未发生热失控现象则转到下一步；
53.s13：选择电池包3中的一个电池单体31并对其进行加热，直至该电池单体31发生热失控。
54.s2：根据热失控结果观察热失控扩展范围，判断是否需要增加实验对象。具体的：
55.s21:观察电池包3热失控扩展情况；
56.s22：若实验对象内电池热失控限定在一定范围，即电池包3内仅部分电池单体31发生热失控，剩余部分电池单体31仍处于正常状态，则进入步骤s3，进行后续的根据测试结果评价电池系统烟气安全状态；若实验对象内所有电池单体31均发生热失控，则需要增加实验对象直至扩大到整个电池系统以验证系统热失控的最大范围。
57.如图2所示，电池箱4内在实际应用中放置三个电池包3，每个电池包3包括三个电
池单体3131，进行试验时，选择其中一个电池包3做为实验对象进行过充及电加热操作，如此电池包3中仅部分电池单体3131发生热失控，部分电池单体31仍处于正常状态，此时，无需扩充增加实验对象，进入步骤s3，进行后续试验评价操作；当此电池包3内的全部电池单体31均发生热失控时，再增加一个电池包3做为实验对象，进行相同的过充及电加热操作，新增加的电池包3内的电池单体31若未发生完全的热失控，以此两个电池包3为实验对象进入步骤s3，若新增的电池3的全部电池单体31仍同样均发生热失控，再增加一个电池包3，进行过充及电加热操作，并以三个电池包3(电池箱4内可容纳的最多的电池包3数量，也是车辆实际安装的电池包3的数量)为最终的实验对象，进入步骤s3。三个电池包3的全部电池单体31均发生热失控，此时已达到电池系统的最高电池包3的数量，不再进行扩充实验。
58.s3：在模拟车厢1内的各采样点5按照一定的时间间隔进行气体采样分析，将采集得到的气体的成分分为可燃气体和有毒气体两大类，通过步骤s4将对这两大类气体对人体可能造成的危害进行分析。具体包括：
59.模拟车厢1如前文所述进行采样点5布置，在电池包3热失控发生后，模拟车厢1的门、窗处于开启状态来模拟乘客逃生状态；进行气体采样，采样时间间隔为δt/次，根据设定的时间间隔δt进行采样操作并进行额定次数的采样，采样次数需可以保证后续评价操作的顺利进行。每个采样点可对气体的成分、浓度分别进行数据采集。
60.设定采样间隔时间δt需要充分考虑电池包3热失控的产气时间，采样过程覆盖从烟气产生开始到结束全过程以保证采样气体能充分体现电池产气变化过程。通常来说，电池单体31发生热失控产生烟气到烟气散发结束的时间是固定的，为确保后续评价分析的准确性、有效性，在整个烟气发散过程中，采样次数应不少于10次，即将电池包3从发生热失控产生烟气直至没有明显烟气产出的过程时间进行合理均分，至少采集10次气体样本，并对采样气体的成分及浓度进行分析。在实际应用中，可根据产气时间，确定具体的采样时间间隔δt的具体数据。
61.每个采样点5设置各类传感器，对烟气的各项指标数据进行采集和分析，分析所采样气体的气体成分、浓度大小，根据气体的成分可将气体分为对人体有害气体和易燃易爆炸气体，并进入步骤s4。在电池热失控被触发后，模拟车厢1处于逃生状态，车窗、门按照逃生模式处于打开状态，在此状态下，进行气体的采样。
62.s4：将每个采样点每次采样所得到的可燃气体和有毒气体绘制成如图3所示的浓度-时间曲线，并根据获取的曲线、数据对电池热失控产生的烟气是否具有危害性进行评价。车厢内乘客安全疏散时间t为已知数据，根据获得的浓度-时间曲线，对气体的可燃爆炸、有毒性危害分别进行讨论分析，以评价/确认在车厢内乘客在安全疏散时间内动力锂离子电池因热失控所产生的烟气是否对乘客构成危害。
63.在考察有害气体对人体的危害时，根据获取的浓度-时间曲线，应选择在车内乘客安全逃生(疏散)之前的一段时间各有害气体浓度的最高值q1、q2、q3
…
，然后其与安全浓度大小相比较，如果超出则会对人体健康有所损害，反之，则无害；对于易燃易爆炸气体，同样的在车内人员逃生之前的一段时间选择各个气体浓度最高点及混合后气体浓度最高点计算混合气体的爆炸极限，如果超出爆炸极限则会有爆炸的风险，同时，根据浓度-时间曲线，也可判断单个气体的爆炸极限，判断单个气体的爆炸风险。
64.进一步的，采用如图4所示流程，结合步骤s3的采样数据进行采样气体的各有害气
为模拟车厢1的体积，单位为升(l)。
75.6.根据上述公式，并依据各种有害气体所占百分比q1、q2、q3……
，根据公式分别计算出模拟车厢1内的各种有害气体浓度；根据各种可燃气体所占百分比n1、n2、n3....根据公式计算混合气体的爆炸极限，其中l1、l2、l3分别代表各种可燃气体的爆炸上/限，其中，l1、l2、l3分别为各种可燃气体的爆炸上限时，计算得出混合气体的爆炸上限，l1、l2、l3分别为各种可燃气体的爆炸下限时，计算出得混合气体的爆炸下限。需分别计算出混合气体的爆炸上、下限，用于评价电池包3热失控的安全性。
76.若h2》h3，电池箱4的漏气速率大于模拟车厢1的通风换气的速率，且气体释放时间大于乘客安全疏散时间，表明因电池包3热失控所产生的气体在乘客逗留在模拟车厢1的时间内无法全部影响到乘客的安全，在此种情况下直接利用漏气速率和通风换气速率之差(h2与h3之差)与安全疏散时间的关系来计算释放到工作空间气体的浓度大小，进而根据各种有害气体所占百分比q1、q2、q3……
计算出模拟车厢1的各种有害气体浓度，根据各种可燃气体百分比n1、n2、n3.....计算出模拟车厢1的混合可燃气体爆炸极限。
77.计算泄露到模拟车厢1内的气体浓度，其具体计算方法为：
78.1.放置锂离子电池包3的电池箱4向模拟车厢1内泄露气体的速率h2可通过传感器检测，也可通过h2＝sh1进行计算，其中s为电池箱4的泄露率，h1、h2分别为电池包3热失控时的产气速率和电池箱4泄露速率。
79.2.通过公式计算在乘客安全疏散时间内模拟车厢1所能达到的最大气体浓度，其中t为人员安全疏散时间，单位为秒(s)，v2为模拟车厢1的体积,单位为升(l)；根据有害气体所占百分比q1、q2、q3……
，通过g4＝q1(q2、q3......)g3，计算模拟车厢1内的有害气体浓度g4。
80.根据上述计算结果获得各有害气体的最高浓度与能够造成危险的有害气体浓度阈值相比较，结合安疏散时间，进而做出烟气中有害气体的浓度是否会影响人类健康的评价。模拟车厢1内各有害气体浓度的计算结果与相关国家标准进行对比，低于国家标准的可以判断为无害，高于国家标准的则会被判定为对乘客的人身安全有危险；
81.根据上述计算结果获得的混合气体的爆炸极限与能够造成危险的可燃气体爆炸极限相比较，进而做出烟气中可燃气体是否会引起爆炸的结论，在爆炸极限范围内的可判定为有爆炸风险，反之则无爆炸风险。
82.在本实施例中，模拟车厢1内设置三组采样位置，每组六个采样点，可分别对每个采样点进行前文所述的计算、评价，获得模拟车厢1内的各个点的浓度-时间曲线以及相应的混合气体的爆炸极限，全面评价电池热失控后模拟车厢1内的安全性。在实际应用中，可将处于同一水平高度的三个采样点的数据进行数据的加权平均值的计算，然后再进行上述的计算，以综合计算模拟车厢1内的各有害气体的浓度和混合气体的爆炸极限。或将全部采样点5进行分区域、分高度进行划分，将划分后的采样点进行加权平均值的计算后再进行后
续的计算及评价。
83.在本实施例中，以轨道车辆用动力锂离子电池为例，介绍电池热失控产生的烟气的评价试验方法，获得电池热失控状态下的有害性、爆炸性的评价结论，用于指导动力锂离子电池在车辆上的安全应用，以及对安全疏散乘客做出相应的指导作用。在进行采样时，模拟车厢1处于门、窗打开的逃生状态。在实际应用中，根据动力锂离子电池的应用环境，确定具体的实验对象、实验场地、实验对象的数量、采样点5的位置和数量布置，在触发热失控后，实验场地根据具体使用环境的区别，确定是否处于开放/逃生状态，不可因前文所述视为对本发明的限制。
84.综上所述，本发明提供的一种动力锂离子电池热失控烟气安全评价试验方法，与现有技术相比，具有如下技术优势：
85.1.提供一种完善的试验及评价方法，可对电池发生热失控过程中产生的烟气是否对人体造成危害进行全面的评估，可将评估结果用于指导生产、应用，确保生产、应用的安全；
86.2.试验方法、简单，计算数据量小，工作量小；
87.3.通过锂离子电池产气速率、人员安全疏散时间、试验场地本身通风换气效率以及锂离子电池热失控所产生烟气的成份分析等几个方面进行综合分析研判，尤其是结合了试验场地本身通风换气效率，最终的评价结果更真实，贴近实际使用情况，真实评估动力锂离子电池在实际使用过程中如果发生热失控是否会产生危害，以避免可能发生的事故。
88.如上所述，结合所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。