一种电芯内部温度分布的评估方法及装置与流程

1.本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种电芯内部温度分布的评估方法及装置。


背景技术：

2.锂离子电池因其具有优异的能量密度和较长的循环使用寿命而迅速的发展起来，成为未来能量储存设备的主要发展方向。由于锂电池起火、爆炸等电池事故频繁发生，因此提高锂离子电池的安全性能刻不容缓。其中，锂电池内部的温度变化导致电池热失控是引起电池事故的主要原因之一。当锂离子电池内部温度过高时，锂离子电池中产生大量的副反应(如：电解液分解，锂枝晶生长等)，释放大量的热，引发连锁反应，导致电池内部热失控，从而引起火灾、爆炸等事故。同样，当电池内部温度较低时，也会导致电池性能下降、析锂等风险。由此可见，如何确定电池内部温度分布对提高电池安全性能具有重要意义。
3.在现有技术中，采用加速量热仪来进行定性或定量监测电芯的温度变化，是目前最常用的测量电池中温度分布的方法。最常用的量热仪是加速量热仪(accelerating rate calorimeter，简称arc)，arc是在绝热条件下，测量化学反应的时间-温度-压力数据。在进行电池热特性研究时，通过电压和电阻监测，使得arc可同步提供电池热失控前后的电特性。但该方法是分析电池包整体的热变化，测试环境相对苛刻，需要在绝热环境下进行，并且无法模拟电池真实使用过程中的温度变化，也无法给出电芯内部不同位置的温度梯度变化。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供了一种电芯内部温度分布的评估方法及装置，以克服现有技术中的电芯温度监测方法无法精确的掌握电芯内部温度梯度变化的问题。
5.本发明实施例提供了一种电芯内部温度分布的评估方法，包括：
6.获取目标电芯的负极片上不同位置的锂含量及对应的测试环境温度；
7.基于负极片上不同位置的锂含量确定不同位置的嵌锂反应速率比；
8.基于负极片上不同位置的嵌锂反应速率比及所述测试环境温度，分别计算负极片上不同位置的温度值；
9.基于负极片上不同位置的温度值，确定所述目标电芯的内部温度分布评估结果。
10.可选地，所述获取目标电芯的负极片上不同位置的锂含量，包括：
11.将所述目标电芯在所述测试环境温度下充电至设定荷电状态；
12.提取所述目标电芯的负极片，对所述负极片进行氧化处理；
13.在氧化处理后的负极片上的不同位置进行取样并称重；
14.将不同位置对应的样品去除锂离子后再次进行称重；
15.基于不同位置对应的样品两次称重结果的差值，确定负极片上不同位置的锂含量。
16.可选地，所述基于负极片上不同位置的锂含量确定不同位置的嵌锂反应速率比包括：
17.通过如下公式计算不同位置的嵌锂反应速率比：
18.ka/ke＝ma/me，
19.其中，ka/ke为a位置与e位置的嵌锂反应速率比，ka为a位置的嵌锂反应速率，ke为e位置的嵌锂反应速率，ma为a位置的锂含量，me为e位置的锂含量。
20.可选地，所述基于负极片上不同位置的嵌锂反应速率比及所述测试环境温度，分别计算负极片上不同位置的温度值，包括：
21.通过如下公式计算负极片上不同位置的温度值：
[0022][0023]
其中，k
x
/ke为当前位置与e位置的嵌锂反应速率比，x为当前位置的序号，r为摩尔气体常数，ea为目标电芯的反应活化能，te为e位置的温度值，测试环境温度，t
x
为当前位置的温度值，e位置为负极片的边缘位置，e位置对应的温度值为测试环境温度。
[0024]
可选地，所述基于负极片上不同位置的温度值，确定所述目标电芯的内部温度分布评估结果，包括：
[0025]
基于负极片上不同位置的温度值，绘制负极片上从中心到边缘的温度梯度变化图。
[0026]
可选地，所述方法还包括：
[0027]
获取所述目标电芯在不同测试环境温度下充电至不同设定荷电状态所对应的温度梯度变化图；
[0028]
基于所述目标电芯在不同测试环境温度下充电至不同设定荷电状态所对应的温度梯度变化图，对所述目标电芯进行安全风险评估，得到安全风险评估结果。
[0029]
可选地，所述在氧化处理后的负极片上的不同位置进行取样，包括：
[0030]
将氧化处理后的负极片上的长度和宽度方向多出正负极极片之外的部分去除；
[0031]
在去除后的负极片上的不同位置进行取样。
[0032]
本发明实施例还提供了一种电芯内部温度分布的评估装置，包括：
[0033]
获取模块，用于获取目标电芯的负极片上不同位置的锂含量及对应的测试环境温度；
[0034]
第一处理模块，用于基于负极片上不同位置的锂含量确定不同位置的嵌锂反应速率比；
[0035]
第二处理模块，用于基于负极片上不同位置的嵌锂反应速率比及所述测试环境温度，分别计算负极片上不同位置的温度值；
[0036]
第三处理模块，用于基于负极片上不同位置的温度值，确定所述目标电芯的内部温度分布评估结果。
[0037]
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行本发明实施例提供的方法。
[0038]
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储
计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明实施例提供的方法。
[0039]
本发明技术方案，具有如下优点：
[0040]
本发明实施例提供了一种电芯内部温度分布的评估方法及装置，通过获取目标电芯的负极片上不同位置的锂含量及对应的测试环境温度；基于负极片上不同位置的锂含量确定不同位置的嵌锂反应速率比；基于负极片上不同位置的嵌锂反应速率比及测试环境温度，分别计算负极片上不同位置的温度值；基于负极片上不同位置的温度值，确定目标电芯的内部温度分布评估结果。从而通过检测嵌锂后负极片上的锂含量推算出负极片不同位置的反应速率比，然后通过阿伦尼乌斯方程计算出不同位置的温度梯度，得到电芯的内部温度分布评估结果，该方法能够适用于软包、方壳、圆柱等绝大部分电芯，具有适用范围广，测试计算方式简单、精准、高效的优点，有利于掌握电芯内部温度梯度的变化，为电芯设计人员提供精准的温度参数，为提升电芯循环稳定性、安全可靠性提供理论基础。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明实施例中的电芯内部温度分布的评估方法的流程图；
[0043]
图2为本发明实施例中的样品制备流程示意图；
[0044]
图3为本发明实施例中的电芯内部的温度梯度变化示意图；
[0045]
图4为本发明实施例中的电芯内部温度分布的评估装置的结构示意图；
[0046]
图5为本发明实施例中的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0047]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0049]
首先，对本发明实施例所提到的专业术语进行解释说明。
[0050]
(1)soc：荷电状态(state of charge)，是指电池当前所拥有的电量占比，以当前所拥有的容量占电池容量的比值，常用百分数表示。
[0051]
(2)overhang区域：负极片长度和宽度方向多出正极片的区域。
[0052]
(3)icp：电感耦合等离子体谱仪(inductively coupled plasma spectrometer)，可用于检测元素周期表中的绝大部分元素。
[0053]
(4)arc：加速量热仪(accelerating rate calorimete)，用于危险品评估的新型热分析仪器，可以提供绝热条件下化学反应的时间-温度-压力数据。
[0054]
锂离子电池因其具有优异的能量密度和较长的循环使用寿命而迅速的发展起来，
成为未来能量储存设备的主要发展方向。由于锂电池起火、爆炸等电池事故频繁发生，因此提高锂离子电池的安全性能刻不容缓。其中，锂电池内部的温度变化导致电池热失控是引起电池事故的主要原因之一。当锂离子电池内部温度过高时，锂离子电池中产生大量的副反应(如：电解液分解，锂枝晶生长等)，释放大量的热，引发连锁反应，导致电池内部热失控，从而引起火灾、爆炸等事故。同样，当电池内部温度较低时，也会导致电池性能下降、析锂等风险。由此可见，如何确定电池内部温度分布对提高电池安全性能具有重要意义。
[0055]
在现有技术中，采用加速量热仪来进行定性或定量监测电芯的温度变化，是目前最常用的测量电池中温度分布的方法。最常用的量热仪是加速量热仪(accelerating rate calorimeter，简称arc)，arc是在绝热条件下，测量化学反应的时间-温度-压力数据。在进行电池热特性研究时，通过电压和电阻监测，使得arc可同步提供电池热失控前后的电特性。但该方法是分析电池包整体的热变化，测试环境相对苛刻，需要在绝热环境下进行，并且无法模拟电池真实使用过程中的温度变化，也无法给出电芯内部不同位置的温度梯度变化。
[0056]
基于上述问题，本发明实施例提供了一种电芯内部温度分布的评估方法，如图1所示，该电芯内部温度分布的评估方法具体包括如下步骤：
[0057]
步骤s101：获取目标电芯的负极片上不同位置的锂含量及对应的测试环境温度。
[0058]
具体地，本发明是利用负极片上嵌锂含量的梯度差异计算出电芯内部温度梯度的变化。在相同的反应时间内(对于吸热反应来说)，生成物的浓度越大，则反应速率越快，反应温度越高。即对于同一个电芯来说，充到某一个soc状态下(反应时间相同)，电芯内部负极片上不同位置的嵌锂含量不同(生成物浓度不同)，则对应的反应速率不同。因此可以通过将电芯充电至某个soc状态下，然后电芯的负极片进行采样的方式来确定不同位置的锂含量，并记录测试环境的温度。
[0059]
步骤s102：基于负极片上不同位置的锂含量确定不同位置的嵌锂反应速率比。
[0060]
具体地，通过如下公式计算不同位置的嵌锂反应速率比：
[0061]
ka/ke＝ma/me，
[0062]
其中，ka/ke为a位置与e位置的嵌锂反应速率比，ka为a位置的嵌锂反应速率，ke为e位置的嵌锂反应速率，ma为a位置的锂含量，me为e位置的锂含量。
[0063]
步骤s103：基于负极片上不同位置的嵌锂反应速率比及测试环境温度，分别计算负极片上不同位置的温度值。
[0064]
具体地，通过如下公式计算负极片上不同位置的温度值：
[0065][0066]
其中，k
x
/ke为当前位置与e位置的嵌锂反应速率比，x为当前位置的序号，r为摩尔气体常数，ea为目标电芯的反应活化能，te为e位置的温度值，测试环境温度，t
x
为当前位置的温度值，e位置为负极片的边缘位置，e位置对应的温度值为测试环境温度。
[0067]
步骤s104：基于负极片上不同位置的温度值，确定目标电芯的内部温度分布评估结果。
[0068]
具体地，通过基于负极片上不同位置的温度值，绘制负极片上从中心到边缘的温度梯度变化图。该温度梯度变化图能够准确的反应电芯内部的温度分布情况，从而为分析
电芯的稳定性提供准确的数据基础。
[0069]
通过执行上述步骤，本发明实施例提供的电芯内部温度分布的评估方法，通过检测嵌锂后负极片上的锂含量推算出负极片不同位置的反应速率比，然后通过阿伦尼乌斯方程计算出不同位置的温度梯度，得到电芯的内部温度分布评估结果，该方法能够适用于软包、方壳、圆柱等绝大部分电芯，具有适用范围广，测试计算方式简单、精准、高效的优点，有利于掌握电芯内部温度梯度的变化，为电芯设计人员提供精准的温度参数，为提升电芯循环稳定性、安全可靠性提供理论基础。
[0070]
具体地，在一实施例中，上述步骤s101具体包括如下步骤：
[0071]
步骤s201：将目标电芯在测试环境温度下充电至设定荷电状态。
[0072]
其中，该设定荷电状态可以根据电芯的实际测试需求进行灵活的设置，示例性地，该设定荷电状态50％soc，本发明并不以此为限。
[0073]
步骤s202：提取目标电芯的负极片，对负极片进行氧化处理。
[0074]
具体地，可以将负极片从手套箱内或干燥间内取出，进行氧化，氧化时注意通风良好，避免产生大量的烟雾。
[0075]
步骤s203：在氧化处理后的负极片上的不同位置进行取样并称重。
[0076]
具体地，通过将氧化处理后的负极片上的长度和宽度方向多出正负极极片之外的部分去除；在去除后的负极片上的不同位置进行取样。
[0077]
示例性地，可以将电芯由边缘到中心划分为若干区域，并分别在各个区域中选择采样点进行负极片采样，划分的区域越多则最终得到的电芯温度分布结果越精确，具体区域的划分数量及划分依据可根据电芯的温度分布精度要求进行灵活的设置，本发明并不以此为限。
[0078]
步骤s204：将不同位置对应的样品去除锂离子后再次进行称重。
[0079]
示例性地，可以通过将样品分别放进10～100ml的去离子水中去除锂离子，由于石墨下层的锂无法被完全氧化，因此带电的负极片和水反应会产生大量的氢气和烟雾，所以操作时须在通风厨内进行，负极片样品上的活性物质完全脱落后，小心的将铜箔取出、晾干，进行二次称重。
[0080]
步骤s205：基于不同位置对应的样品两次称重结果的差值，确定负极片上不同位置的锂含量。
[0081]
具体地，根据一次称重和二次称重的差值，计算出溶解在去离子水中的负极活性材料的质量，然后利用电感耦合等离子光谱发生仪(inductive coupled plasma emission spectrometer，简称icp)，测出样品负极活性材料中锂的含量。
[0082]
从而通过进行负极片上不同位置锂含量的测试，能够准确得到负极片上不同位置的锂含量，进而保障后续电芯温度分布估算结果的准确性。
[0083]
具体地，在一实施例中，上述的电芯内部温度分布的评估方法具体还包括如下步骤：
[0084]
步骤s105：获取目标电芯在不同测试环境温度下充电至不同设定荷电状态所对应的温度梯度变化图。
[0085]
步骤s106：基于目标电芯在不同测试环境温度下充电至不同设定荷电状态所对应的温度梯度变化图，对目标电芯进行安全风险评估，得到安全风险评估结果。
[0086]
具体地，由于电芯的温度分布情况与电芯所处环境温度计电芯的soc状态均有着密切的关系，因此，通过分析不同温度条件不同soc状态的电芯进行温度梯度变化图，所得到的安全风险评估结果也根据全面和客观，进而能够更加全面准确的分析电芯的稳定性，为电芯的优化及安全风险的防范提供准确的数据基础。
[0087]
下面将结合具体应用示例，对本发明实施例提供的电芯内部温度分布的评估方法进行详细的说明。
[0088]
本发明实施例的工作原理是利用负极片上嵌锂含量的梯度差异计算出电芯内部温度梯度的变化。在相同的反应时间内(对于吸热反应来说)，生成物的浓度越大，则反应速率越快，反应温度越高。即对于同一个电芯来说，充到某一个荷电状态即soc状态下(反应时间相同)，电芯内部负极片上不同位置的嵌锂含量不同(生成物浓度不同)，则对应的反应速率不同。从而根据阿伦尼乌斯方程：可以推出不同位置的反应温度，得到电芯内部整体的温度梯度的变化。
[0089]
本发明实施例具体是在一定的soc状态下，利用icp等方法测试负极片不同位置的嵌锂含量梯度推算出不同位置的反应速率梯度，再根据阿伦尼乌斯(arrhenius)方程计算出不同位置的温度梯度。可以分别根据0％soc到某一个soc状态下以及相邻两个soc状态下计算得到电芯内部平均温度梯度的分布以及瞬时温度梯度的分布，且相邻soc差值越小得到的相应的温度梯度变化越密集。实验结果表明，不同体系、不同测试环境温度、不同倍率、不同soc状态对电芯内部温度梯度的变化都有很大的影响。不同体系表现出中间为金色状态(lic
12
的嵌锂状态)的soc不同；测试环境温度升高，边缘和中间反应速率同时加快，需要更大的温差中间才能表现为中间金色；倍率增大，中间高温区域面积较大，因此中间金色区域面积较大；随着soc增大，中间区域嵌锂量和边缘区域的嵌锂量差值逐渐递增，因此中间表现出优先满嵌的结果是一个叠加的过程。具体实现步骤如下：
[0090]
1.负极片上不同位置的锂含量测试(样品制备流程如图2所示)：
[0091]
在手套箱内或干燥间，将充到一定soc(soc可根据需要进行调节)的电芯进行拆解，拆解时注意将正负极的极片分开，避免短路造成起火等事故；小心的将负极片从手套箱内或干燥间内取出，进行氧化，氧化时注意通风良好，避免产生大量的烟雾；将完全氧化后的负极片去掉overhang区域后，按照如图1(3)步骤中的方式进行取样，分别记作a、b、c、d、e；将样品进行一次称重，分别记作m
a1
、m
b1
、m
c1
、m
d1
、m
e1
；小心的将a、b、c、d、e这五个样品分别放进10～100ml的去离子水中。由于石墨下层的锂无法被完全氧化，因此带电的负极片和水反应会产生大量的氢气和烟雾，所以操作时须在通风厨内进行；待负极片上的活性物质完全脱落后，小心的将铜箔取出、晾干，进行二次称重，分别记作m
a2
、m
b2
、m
c2
、m
d2
、m
e2
；根据一次称重和二次称重的差值(m
a0
＝m
a1-m
a2
)，计算出溶解在去离子水中的负极活性材料的质量，记作m
a0
、m
b0
、m
c0
、m
d0
、m
e0
；利用icp等方法，测出a、b、c、d、e五个样品负极活性材料中锂的含量，记作ma、mb、mc、md、me。
[0092]
2.电芯温度梯度的计算：
[0093]
由于电芯是在相同时间内充到一定的soc的，因此极片上不同位置的锂含量的比就是相应的嵌锂反应速率的比；即反应速率ka/ke＝ma/me、kb/ke＝mb/me、kc/ke＝mc/me、kd/ke＝md/me；根据阿伦尼乌斯方程：可以推出：其中x＝a、b、c、d，r为摩尔气体常数，ea是电芯的反应活化能，可通过对电芯进行eis测试计算得到；进一步的，得到由于电芯在测试过程中，边缘散热较快，因此可认为te为测试环境温度，从而可精确计算出ta、tb、tc、td；最后绘出负极片上中间到边缘的温度梯度变化图，如图3所示(以测试环境温度为25℃为例)，从而推测出整个电芯内部温度梯度的变化。
[0094]
本发明提出了一种快速精准评估电芯内部温度梯度变化的方法。该方法适用于软包、方壳、圆柱等绝大部分电芯，同时还可以用于测量电芯内部不同位置的温度变化，具有较高的普适性，测试计算方法简单、精准、高效。有利于我们掌握电芯内部温度梯度的变化，为电芯设计人员提供精准的温度参数，为提升电芯循环稳定性、安全可靠性提供理论基础。
[0095]
通过执行上述步骤，本发明实施例提供的电芯内部温度分布的评估方法，通过检测嵌锂后负极片上的锂含量推算出负极片不同位置的反应速率比，然后通过阿伦尼乌斯方程计算出不同位置的温度梯度，得到电芯的内部温度分布评估结果，该方法能够适用于软包、方壳、圆柱等绝大部分电芯，具有适用范围广，测试计算方式简单、精准、高效的优点，有利于掌握电芯内部温度梯度的变化，为电芯设计人员提供精准的温度参数，为提升电芯循环稳定性、安全可靠性提供理论基础。
[0096]
本发明实施例还提供了一种电芯内部温度分布的评估装置，如图4所示，该电芯内部温度分布的评估装置包括：
[0097]
获取模块101，用于获取目标电芯的负极片上不同位置的锂含量及对应的测试环境温度。详细内容参见上述方法实施例中步骤s101的相关描述，在此不再进行赘述。
[0098]
第一处理模块102，用于基于负极片上不同位置的锂含量确定不同位置的嵌锂反应速率比。详细内容参见上述方法实施例中步骤s102的相关描述，在此不再进行赘述。
[0099]
第二处理模块103，用于基于负极片上不同位置的嵌锂反应速率比及测试环境温度，分别计算负极片上不同位置的温度值。详细内容参见上述方法实施例中步骤s103的相关描述，在此不再进行赘述。
[0100]
第三处理模块104，用于基于负极片上不同位置的温度值，确定目标电芯的内部温度分布评估结果。详细内容参见上述方法实施例中步骤s104的相关描述，在此不再进行赘述。
[0101]
通过上述各个组成部分的协同合作，本发明实施例提供的电芯内部温度分布的评估装置，通过检测嵌锂后负极片上的锂含量推算出负极片不同位置的反应速率比，然后通过阿伦尼乌斯方程计算出不同位置的温度梯度，得到电芯的内部温度分布评估结果，该方法能够适用于软包、方壳、圆柱等绝大部分电芯，具有适用范围广，测试计算方式简单、精准、高效的优点，有利于掌握电芯内部温度梯度的变化，为电芯设计人员提供精准的温度参数，为提升电芯循环稳定性、安全可靠性提供理论基础。
[0102]
上述各个模块的更进一步的功能描述与上述对应方法实施例相同，在此不再赘述。
[0103]
根据本发明实施例还提供了一种电子设备，如图5所示，该电子设备可以包括处理器901和存储器902，其中处理器901和存储器902可以通过总线或者其他方式连接，图5中以
通过总线连接为例。
[0104]
处理器901可以为中央处理器(central processing unit，cpu)。处理器901还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
[0105]
存储器902作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明方法实施例中的方法所对应的程序指令/模块。处理器901通过运行存储在存储器902中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。
[0106]
存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作装置、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器901所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器902可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器901。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0107]
一个或者多个模块存储在存储器902中，当被处理器901执行时，执行上述方法实施例中的方法。
[0108]
上述电子设备具体细节可以对应参阅上述方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
[0109]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)、随机存储记忆体(random access memory，ram)、快闪存储器(flash memory)、硬盘(hard disk drive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
[0110]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。