一种锂离子电池热失控反应产气采集时序分析系统及方法

1.本发明涉及纯电动汽车、锂离子动力电池热失控与热安全领域，尤其是涉及一种锂离子电池热失控反应产气采集时序分析系统及方法。


背景技术：

2.锂离子动力电池因其高比能量、循环寿命长等优点在交通运输、3c电子产品中已获得广泛认可和量产利用，然而，随着市场和用户对续航里程和电池箱重量体积及相应功耗持续提出更高的要求，锂离子动力电池比能量不断提高，高能量密度的电池连接成组大大增加了热失控引发安全事故的风险，因此，纯电动汽车的发展需求对锂离子动力电池组的热安全机理研究、检测、预警与防护设计提出了更高的要求。
3.目前，对锂离子电池热失控预警的方法主要有三种，一是基于热失控电压信号变化的方法；二是基于电池表面温度的方法；三是基于电池破包后所释放气体的方法。
4.而对于锂离子动力电池组热失控的监测和报警，目前主要依靠锂离子动力电池自身所设计的泄压阀，目前没有较好的可推广的方法。
5.此外，因为热失控过程反应机理非常复杂，反应产气时序尚不明晰，而且电压、温度及破包后产气等信号存在较为严重的滞后性，目前尚无较为可靠的预警方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种锂离子电池热失控反应产气采集时序分析系统及方法。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种锂离子电池热失控反应产气采集时序分析系统，该系统包括用以加热锂离子动力电池触发热失控的加热器、通过柔性气体导管与锂离子动力电池连接用以进行时序分析的气体检测设备以及依次设置在柔性气体导管上的多个气体采集袋，每个气体采集袋均设有通过电磁阀控制器控制启闭的电磁阀。
9.所述的气体采集袋在气体采集过程中按照时序依次打开采集各采样周期的气体。
10.所述的锂离子动力电池外设有电池夹具，用以使热失控触发和气体采集过程接近动力电池系统或储能电池系统的实际预紧力。
11.所述的柔性气体导管一端穿过电池外壳植入到锂离子动力电池内，通过电池内外压差实现热失控反应产气的采集。
12.所述的气体检测设备采用gc/ftir气体检测仪器。
13.产生的气体为co、co2、h2、c2h4、ch4、c2h6和c3h6。
14.所述的电磁阀实现气体采集袋启闭的控制动作时长为毫秒级，用以实现对热失控反应过程产气的高频率采集。
15.所述的加热器和锂离子动力电池一起夹设在电池夹具中。
16.一种锂离子电池热失控反应产气采集时序分析方法，包括以下步骤：
17.1)开启加热器对锂离子动力电池进行加热触发热失控，在热失控反应的第1个采样周期开启第一个气体采集袋的电磁阀，采集第1个采样周期的反应气体；
18.2)在第2个采样周期开始时开启第二个气体采集袋的电磁阀，同时关闭第一个气体采集袋的电磁阀；
19.3)在每个采样周期中，重复步骤2)，开启下一个气体采集袋并关闭前一个气体采集袋，直至所有采样周期按时序采集完毕；
20.4)将采集所得气体分别导入气体检测设备5中，获取气体成分及对应的百分比。
21.在按时序获取热失控反应过程中各个时段的产气类型和百分比后，形成锂离子电池热失控反应数据库，作为后续进行锂离子电池热失控判断的依据。
22.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
23.一、动作时间短：采用电磁阀控制气袋开关动作，采样频率可达毫秒级；
24.二、安全性好：采集、分析装置及其他构件动作均由控制系统控制，无需人为操作。作业人员远离热失控电池单体，可充分杜绝实验过程人员伤亡；
25.三、同步性好：控制系统对气体采集部分和热失控加热触发部分进行联动控制，可充分保证电池加热升温瞬间开启气体采集系统，有效采集电池热失控全过程反应产气；
26.四、可实现分气袋阶段性采集，充分采集各反应阶段所产生的气体；
27.五、稳定性好：通过植入气体导管提前泄压设计和夹具作用，可实现接近实际工程应用工况的热失控产气稳定采集。
28.六、迁移性好：本发明除方壳电池外，可满足各种封装方式、容量大小、材料体系电池的热失控产气采集与分析。
附图说明
29.图1为本发明控制系统流程框图，其中t为采样周期。
30.图2为本发明中装置构件连接示意图。
31.图中标记说明：
32.1、加热器，2、锂离子动力电池，3、电池夹具，4、气体采集系统，5、气体检测设备。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
34.实施例
35.如图2所示，本发明提供一种锂离子电池热失控反应产气采集时序分析系统及方法，该系统包括以下构件：
36.加热器1、电池单体、电池夹具3、柔性气体导管、气体采集袋、电磁阀控制器和气体检测设备5，该加热器1用以对待测锂离子电池进行加热触发热失控，锂离子动力电池2设置在电池夹具3内，n个气体采集袋依次通过柔性气体导管连接锂离子动力电池2的电池单体进行气体的周期采集，每个气体采集袋均通过电磁阀控制是否开启，电磁阀则通过电磁阀控制器控制启闭，气体检测设备5连接气体采集袋，依次收集气体采集袋中的气体进行分析。
37.如图1所示，反应产气采集过程包括以下步骤：
38.1)开启加热器1对锂离子动力电池2进行加热触发热失控，同时开启第一个气体采集袋的电磁阀；
39.2)在第1个采样周期后开启第二个气体采集袋的电磁阀，同时关闭第一个气体采集袋的电磁阀；
40.3)在每个采样周期中，重复步骤2)，开启下一个气体采集袋并关闭前一个气体采集袋直至所有气体采集袋采集完毕；
41.4)将采集所得气体分别导入gc/ftir等气体检测设备5中，分析气体成分及百分比。
42.该方法和系统基于“快速采集，离线监测”原则，分时段控制不同气体采集袋打开采集气体，可实现不同时段反应时序的检测。
43.本发明采用电磁阀实现气体采集袋开闭可将控制动作时长压缩至毫秒级，对热失控反应过程产气实现高频率采集，有效弥补气体检测设备检测精度低的缺陷。
44.通过对锂离子动力电池2进行柔性气体导管植入可凭借电池内外压差，实现热失控反应产气的采集。
45.柔性气体导管的植入可实现电池热失控提前泄压，避免电池喷发造成的剧烈反应损坏电池，影响气体采集与检测。
46.通过采用加热器与电磁阀控制器联动控制可实现电池升温过热热失控全过程反应产气的采集。
47.电池夹具3的设置可使触发、采集过程接近动力电池系统或储能电池系统实际预紧力，此外，电池夹具的限制有利于气体采集系统平稳地采集反应过程co、co2、h2、c2h4、ch4、c2h6和c3h6等各种气体。
48.各种气体的产生原理如下：
49.c3h4o3(ec) 2.5o2→
3co2 2h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
50.c3h4o3(ec) o2→
3co 2h2o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
51.2co2 2li

2e-→
li2co3 co
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
52.cmc-oh li
→
cmc-oli 0.5h2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
53.c3h6o3(dmc) 2li

2e- h2→
li2co3 2ch4ꢀꢀ
(5)
54.c3h4o3(ec) 2li
→
li2co3 c2h4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
55.c3h6o3(pc) 2li
→
li2co3 c3h6ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
56.根据以上气体产生原理，分别对电池热失控过程中按时序采集到产生气体的种类和百分比，实际应用时，能够通过当前时段采集到的气体的种类和百分比准确判断电池处于热失控过程中的何种阶段，为后续的电池监控提供数据支撑。
57.综上，本发明能够实现热失控全过程反应产气采集及检测，可用于探究各类电池热失控反应机理及反应时序，此外，检测过程所得结论可为电池系统热失控预警、防护、灭火设计提供指导。
58.以上所述仅为本发明的具体实施方法而已，并不能限制本发明，凡是在本发明的精神与原则之内，均包含在本发明的保护范围之内。