动压变温环境下锂离子电池外短路实验测试方法及装置

1.本发明属于动力电池技术领域，具体涉及一种动压变温环境下锂离子电池外短路实验测试方法及装置。


背景技术：

2.近年来，由于锂离子电池技术的快速发展，使得其在包括民用航空领域在内的各大领域中广泛应用。但是锂离子电池在带来便捷的同时，也带来安全隐患。锂离子电池在力、热、电等滥用工况下极易发生热失控。在电滥用条件中，外短路故障是一种常见诱发电池系统故障和安全问题的方式。但是外短路故障的触发模式并不是固定的，往往具有偶然性，一次意外的碰撞所引起的导线脱落，就可能导致电池电极短接引发外短路故障。当锂离子电池发生外短路故障后，如果得不到及时处理，热量堆积并得不到有效散发，就有可能导致电池热失控，进而引发火灾。
3.发明专利——一种模拟锂电池外短路诱发热失控实验系统及实验步骤（申请号：cn201911075631.9，公开(公告)号：cn110687456a），该装置包括离心式风机、防爆箱、无纸记录仪、连续气体检验仪、电脑和摄像机，离心式风机的出风口与防爆箱的其中一端之间连接有进风筒，防爆箱内部的上表面固定安装有固定柱，固定柱上均安装有温度探测头，防爆箱的内部的下表面嵌入有绝缘板，绝缘板上放置有电子天平秤和拍照式三维扫描仪，电子天平秤上方所对应的防爆箱的内顶面安装有红外扫描仪，电子天平秤摆放有锂电池组，防爆箱上远离进风筒的一端连接有出风筒，出风筒的另一端连接有第三球阀，第三球阀的另一端连接有铝箔排气管。用于锂电池组产生外短路并产生热失控的实验模拟。
4.发明专利——一种动压变温实验舱（申请号：cn201910200287.5，公开(公告)号：cn109876873a），包括舱体、温度调整系统和气压调整系统，所述气压调整系统与舱体连接，所述温度调整系统设置在舱体的内壁上，所述舱体的内壁上设有温度检测计和气体检测计，所述舱体内设有燃烧底座，所述燃烧底座内设有可燃物，其中可燃物由航空煤油、纸箱、锂电池组成。本发明的动压变温实验舱，通过舱体、温度调整系统和气压调整系统的设置，便可有效的构成一个能够模拟高空环境的实验舱结构，而通过温度检测计、气体检测计以及燃烧底座的设置，便可有效的通过燃烧底座上的可燃物燃烧来模拟飞机在高空的过程中出现失火事故。
5.实用新型——一种模拟锂电池外短路诱发热失控实验系统（申请号：cn202022673486.9，公开(公告)号：cn213457288u），包括箱体、摄像头、温度探测仪和驱动电机，所述箱体的下表面呈缺口状结构，所述防爆玻璃的后侧设置有与箱体相连接的安装板，所述箱体的内部顶端固定连接有固定板，所述套管的内部底端连接有薄膜，所述内胆的顶部外表面连接有连接板，所述箱体的内壁安装有温度探测仪，所述支腿的内部安装有驱动电机，且驱动电机的输出端连接有螺纹杆，所述箱体的下方设置有横板，且横板的上表面连接有橡胶垫，所述橡胶垫的上表面连接有载板。模拟锂电池外短路诱发热失控实验系统，在火势较小时，无需人工喷洒灭火剂进行灭火。
6.民用航空领域对安全有较高要求，任何可能引发安全问题的征候都须重视，尤其是这种征候可能发生在飞机飞行过程中。随着飞机飞行高度的提升，机载温度、气压环境将发生变化，电池在相应环境下的外短路故障及安全问题是一项重要的研究课题。但是，目前有关电池外短路的实验装置基本是将电池在常温常压下进行外短路诱发热失控，缺少可用于研究航空动态温度、气压环境下电池外短路故障和安全问题的实验装置和方法。
7.因此，开发可适用于航空温度、气压环境的锂离子电池外短路实验装置和方法，探究电池在相应环境下发生外短路故障的安全问题及内在机制是十分必要的。在此基础上，本发明提供了一种可解决上述问题的实验装置和方法。


技术实现要素：

8.在航空宽温域、宽气压环境下，锂离子电池如果发生外短路故障，短路持续时间过长，那么电池自身热量聚集，极易引发电池安全问题，甚至热失控；本发明提出动压变温环境下锂离子电池外短路实验测试方法及装置，将电池放置在电池测试舱内，通过调节温度、气压、短路电阻参数来检测电池的短路特征和参数，实现锂离子电池在动压变温环境下的外短路试验，并通过分析电池的电化学及理化特征参数，研究航空环境下锂离子电池的短路特性及安全状态。
9.本发明通过下述技术方案实现：动压变温环境下锂离子电池外短路实验测试装置，包括电池测试舱、气压调整系统、冷却系统、加热系统、压力传感器、温度传感器、电池接线盒和短路电阻箱，电池测试舱配置气压调整系统调整内部气压，压力传感器读取气压值；电池测试舱配置冷却系统和加热系统调整内部温度，温度传感器读取温度值；电池接线盒串接短路电阻箱形成回路，置于电池测试舱内部。本方案通过调节温度、气压、短路电阻参数来检测电池的短路特征和参数，实现锂离子电池在动压变温环境下的外短路试验，为探究锂离子电池在航空温度、气压环境下发生外短路故障的安全问题及内在机制提供支持。
10.作为测试装置的优选方案，电池测试舱上设置有透明玻璃窗，且透明玻璃窗正对电池接线盒。
11.作为测试装置的优选方案，气压调整系统包括真空泵、单向抽气口和单向进气口，单向抽气口和单向进气口接入电池测试舱内部，真空泵通过管道与单向抽气口和单向进气口连通。
12.作为测试装置的优选方案，冷却系统包括蒸发器、压缩机、冷凝器、储液罐、膨胀阀和风机电机，蒸发器置于电池测试舱内部，冷凝器置于电池测试舱外部，蒸发器、压缩机、冷凝器、储液罐和膨胀阀通过管道依次连接，风机电机正对压缩机。
13.作为测试装置的优选方案，加热系统包括加热丝和稳压电源，加热丝安装在电池测试舱内部，加热丝与稳压电源电连接。
14.作为测试装置的优选方案，温度传感器设置有若干个，分别均匀贴合在待测试电池上。
15.作为测试装置的优选方案，短路电阻箱包括短路电阻、短路电阻接触片、旋转圆盘、短路电阻接触片固定器和变阻电机；若干个短路电阻接触片固定器以旋转圆盘为中心布置于同一圆周上，各短路电阻接触片固定器支路上设置不同电阻值的短路电阻，之后接
确认键、12-方向键下、13-方向键右、14-真空泵、15-储液瓶、16-冷凝器、17-单向抽气口、18-单向进气口、19-膨胀阀、20-导线、21-正极连接口、22-加热丝、23-电池、24-温度传感器、25-压力传感器、26-负极连接口、27-蒸发器、28-压缩机、29-稳压电源、30-风机电机、31-变阻电机、32-短路电阻箱、33-电池测试仪、34-无纸记录仪、35-短路电阻、36-短路电阻接触片、37-旋转枢纽、38-旋转圆盘、39-短路电阻接触片固定器。
具体实施方式
26.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作的原理和特征等做进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明保护范围的限定。
27.本说明书中使用的术语是考虑到关于本公开的功能而在本领域中当前广泛使用的那些通用术语，但是这些术语可以根据本领域普通技术人员的意图、先例或本领域新技术而变化。此外，特定术语可以由申请人选择，并且在这种情况下，其详细含义将在本公开的详细描述中描述。因此，说明书中使用的术语不应理解为简单的名称，而是基于术语的含义和本公开的总体描述。
28.在航空宽温域、宽气压环境下，锂离子电池如果发生外短路故障，短路持续时间过长，那么电池自身热量聚集，极易引发电池安全问题，甚至热失控；本发明提出动压变温环境下锂离子电池外短路实验测试方法及装置，将电池放置在电池测试舱内，通过调节温度、气压、短路电阻参数来检测电池的短路特征和参数，实现锂离子电池在动压变温环境下的外短路试验，并通过分析电池的电化学及理化特征参数，研究航空环境下锂离子电池的短路特性及安全状态。
29.本发明通过下述具体实施方式实现：实施例1动压变温环境下锂离子电池外短路实验测试装置，如图1、图2、图3所示，包括电池测试舱、气压调整系统、冷却系统、加热系统、压力传感器25、温度传感器24、电池接线盒和短路电阻箱32，电池测试舱配置气压调整系统调整内部气压，压力传感器25读取气压值；电池测试舱配置冷却系统和加热系统调整内部温度，温度传感器24读取温度值；电池接线盒串接短路电阻箱32形成回路，置于电池测试舱内部。本实施例是一种可以在不同温度、气压环境下研究锂离子电池外短路的试验平台，通过调节温度、气压、短路电阻参数来检测电池23的短路特征和参数，实现锂离子电池23在动压变温环境下的外短路试验，为探究锂离子电池23在航空温度、气压环境下发生外短路故障的安全问题及内在机制提供支持。
30.作为测试装置一种可选的实施方式，如图1所示，电池测试舱上设置有透明玻璃窗4，且透明玻璃窗4正对电池接线盒。具体地，电池测试舱包括电池测试舱门1、舱门开关把手2、外壳3、透明玻璃窗4、排气口5、可动阀门6，外壳3顶部安装透明玻璃窗4和排气口5，排气口5内有可活动阀门6。电池测试舱上还设置了电子显示屏7、方向键上9、方向键左10、确认键11、方向键下12、方向键右13和电源开关键8。
31.作为测试装置一种可选的实施方式，如图2所示，气压调整系统包括真空泵14、单向抽气口17和单向进气口18，单向抽气口17和单向进气口18接入电池测试舱内部，真空泵14通过管道与单向抽气口17和单向进气口18连通。具体地，气压调整系统在外壳3的正后方
设真空泵14，通过抽气管与外壳3上的单向抽气口17和单向进气口18相连接，从而调整电池测试舱内的压力大小。
32.作为测试装置一种可选的实施方式，如图3所示，冷却系统包括蒸发器27、压缩机28、冷凝器16、储液罐15、膨胀阀19和风机电机30，蒸发器27置于电池测试舱内部，冷凝器16置于电池测试舱外部，蒸发器27、压缩机28、冷凝器16、储液罐15和膨胀阀19通过管道依次连接，风机电机30正对压缩机28。具体地，在外壳3与电池测试舱的夹层中安装蒸发器27，通过管道与压缩机28、冷凝器16、储液罐15和膨胀阀19依次相连，风机电机30与压缩机28相连接，通过压缩机28使制冷液在该冷却系统中有效循环，液态制冷剂在蒸发器27中进行热交换，转换为低压气态制冷剂，压缩机28使低压气态制冷剂转变为高温高压气态制冷剂，在冷凝器16中将高温高压气态制冷剂转换为高温高压液态制冷剂，再通过膨胀阀19的节流将高温高压液态制冷剂转换为低温低压液态制冷剂，最后低温低压液态制冷剂经过蒸发器27中变成低温低压气态制冷剂，整个过程形成一个循环，在该冷却系统中通过制冷剂反复在液态和气态的循环可以有效降低电池测试舱内的温度。
33.作为测试装置一种可选的实施方式，如图3所示，加热系统包括加热丝22和稳压电源29，加热丝22安装在电池测试舱内部，加热丝22与稳压电源29电连接。具体地，在电池测试舱内的底部安装加热丝22，加热丝22通过导线与稳压电源29相连接，通来稳压电源29输出电流大小来调节加热丝22的升温速率，从而改变舱内温度大小。如图4所示，温度传感器24设置有若干个（本实施例设3个），沿长度方向分别均匀贴合在待测试电池2上。
34.作为测试装置一种可选的实施方式，如图5、图6所示，短路电阻箱32包括短路电阻35、短路电阻接触片36、旋转圆盘38、短路电阻接触片固定器39和变阻电机31；若干个（本实施例设5个）短路电阻接触片固定器39以旋转圆盘38为中心布置于同一圆周上，各短路电阻接触片固定器39支路上设置不同电阻值的短路电阻35，之后接入短路电阻箱32接线端；短路电阻接触片36设置在旋转圆盘38上，并接入短路电阻箱32另一接线端；旋转圆盘38由变阻电机31驱动。短路电阻箱32还包括旋转枢纽37，旋转枢纽37驱动短路电阻接触片36前端立起或放下。如图3所示，测试装置还包括电池测试仪33和无纸记录仪34，电池测试仪33和无纸记录仪34串接在电池接线盒与短路电阻箱32回路中。
35.具体地，在底部通过两块固定板将电池23的正负极固定好，固定板上安装压力传感器25，将电池正负极分别通过导线20与正极连接口21和负极连接口26相连接；将电池23正极通过导线20与正极连接口21相连接后，再从正极连接口21引出导线20与短路电阻箱32、电池测试仪33和无纸记录仪34依次相连，最后导线20连接到负极连接口26上，再将导线20从负极连接口26与电池23负极相连接；短路电阻箱32和变阻电机31相连，通过变阻电机31控制旋转圆盘38转动，调整短路电阻接触片36与不同的阻值大小的短路电阻35相连，并且在短路电阻35后连接能承载发生短路后电路中最大电流的电线；变阻电机31还驱动旋转枢纽37，控制短路电阻接触片的立起或是放下；电池23和短路电阻箱32、电池测试仪33、无纸记录仪34依次相连形成回路。
36.本实施例中，电池23采用的是圆柱电池，但并不限于圆柱电池，可根据实际情况进行选择。例如，如果选用方形电池，那么可以在正负极连接口处加装电池连接夹来连接电池。
37.基于该实施例，本发明具有如下特点和有益效果：
1. 本发明对于外短路试验，可实现不同温度、压力下的外短路试验。
38.2. 本发明中的外短路电阻属于可变电阻，并且在动压变温环境下，可通过改变短路电阻35对电池23进行不同外短路试验，探究电阻值对于电池23在外短路后电池23本体的安全性能变化或者电池23在外短路诱发热失控后的产物变化。
39.3. 本发明在电池23短路程度过大时，可以电子显示屏7中有关试验选项中通过确认暂停或终止试验，使旋转枢纽37将短路电阻接触片36立起，有效断开连接电路，停止短路程度的进一步加深，提高整体安全性。
40.4. 短路电阻箱32中的短路电阻35，可根据具体实验需求进行变更，从而满足相关安全测试条件需求。
41.5. 利用温度传感器24、压力传感器25、电池测试仪33与电子显示屏7相结合的模式，使电子显示屏7在电池23表面温度达到一定阈值时，提供提示信号，并根据实验者意愿，选择进行外短路试验或是外短路诱发热失控试验。
42.实施例2动压变温环境下锂离子电池外短路实验测试方法，采用上述实施例1的动压变温环境下锂离子电池外短路实验测试装置，实施如下步骤：将待测试电池安装在电池接线盒中；通过变阻电机驱动旋转圆盘转动，将不同电阻值的短路电阻接入回路；通过气压调整系统设定电池测试舱内气压；通过冷却系统和加热系统设定电池测试舱内温度；试验开始并通过透明玻璃窗观察电池试验现象；改变短路电阻电阻值、电池测试舱内气压或温度实验条件，观察电池试验现象。
43.具体地，通过电源开关8将测试装置开启，使稳压电源29、风机电机30、变阻电机31、电池测试仪33、无纸记录仪34处于待机状态，将要测试的电池23固定于电池测试舱底部的两块固定板中，通过正极连接口21和负极连接口26与电池23正负极相连，通过设置好的集成程序，在电子显示屏7上，通过方向键来选择短路试验的短路电阻阻值大小，再确认好短路电阻后，通过相应程序控制变阻电机31的运作情况，变阻电机31通过控制短路电阻箱32中的旋转圆盘38下的旋转元件，从而改变短路电阻接触片36所对应的短路电阻35的位置，从而改变短路电阻箱32阻值大小；并且可以在电子显示屏7上，通过相应程序来控制稳压电源29对加热丝22的输出电流来改变升温速率，对舱内温度进行调整；通过电子显示屏7上的相应程序，控制真空泵14通过单向抽气口17和单向进气口18对电池测试舱进行排气和加气改变舱内气体浓度，从而改变电池测试舱内的压力大小，并且通过电池测试舱底部固定板上的压力传感器25在在电子显示屏7上检测到实时压力变化。再将温度、压力和短路电阻调试好后，可在电子显示屏7上选择试验相关选项，并通过方向键和确认键来控制试验的开始、暂停和终止。通过方向键选择试验开始项，并确认键11在试验开始项上确定，让变阻电机31运转旋转枢纽37进而将短路电阻接触片36放下，接触到短路电阻接触片固定器39上，使整体电路形成通路，试验开始后通过透明玻璃窗4观察电池23试验现象，在电子显示屏7上，通过方向键上下键选择不同程序项目，以及左右键来控制前进和后退，选择相应程序来观察压力、电压、电流和温度变化情况，但集成程序中并不仅仅局限于记录电压、电流、温度等参数的程序。并且通过对电子显示屏7中温度传感器24传输的温度数据进行设定，使其在电池表面温度达到一定阈值时，能在电子显示屏7上出现提示信号，将当前时刻的电池23所处舱内温度和短路时长进行记录，并且电子显示屏7上提供是否中断试验的显示，如果
不触碰则默认中断，如果中断试验，则在静置过程中通过透明玻璃窗4观察电池23本体是否出现解体、破裂或起火等现象；如果不中断，可通过无纸记录仪34记录外短路诱发热失控过程中相关参数变化，在透明玻璃窗4处观察电池23本体的外短路到热失控过程中的试验现象。
44.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。