本發(fā)明屬于電池測試，具體涉及一種鋰電池殉爆測試系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
1、隨著鋰電池能量密度的顯著提升，其安全性問題日益凸顯，成為制約高比能電池規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。目前，行業(yè)內(nèi)主要采用電池熱失控爆炸測試手段，以熱失控過程中的特征溫度t1(自產(chǎn)熱起始點)、t2(熱失控觸發(fā)溫度)與t3?(熱失控最高溫度)來評估其安全邊界。
2、然而，現(xiàn)有測試方法難以同步獲取電池/模組瞬間爆炸釋放氣體的瞬變信息，導致對電池/模組失效機理的認知存在盲區(qū)，難以為高比能電池的安全設(shè)計與性能優(yōu)化提供精準數(shù)據(jù)支撐。
3、因此，亟需開發(fā)一套可在可控的密閉環(huán)境中復現(xiàn)真實工況，讓電池/模組在不同密閉環(huán)境失控，再用高速、多物理場同步采集技術(shù)把“溫度-壓力-氣體-火焰-爆炸”全過程記錄下來的高分辨率測試系統(tǒng)，填補高比能電池熱失控氣體瞬變信息獲取的技術(shù)空白，為下一代高能量密度電池的安全研究提供標準化、定量化的評價手段。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于：提供一種結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、測試效率高的測試系統(tǒng)及方法，其能夠模擬多種真實環(huán)境中同步獲取高能電池燃燒爆炸全過程的“溫度-壓力-氣體-火焰-爆炸”多物理數(shù)據(jù)，從而解決現(xiàn)有技術(shù)難以真實模擬殉爆威力且無法實現(xiàn)多物理參數(shù)同步檢測的缺陷。
2、為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
3、第一方面，本發(fā)明提供一種鋰電池殉爆測試方法，使用一種鋰電池殉爆測試系統(tǒng)，包括密閉箱裝置1、加熱裝置2、溫度監(jiān)測裝置3、氣體監(jiān)測裝置4、壓力監(jiān)測裝置5、電壓采集裝置6、攝像頭拍攝裝置7及數(shù)據(jù)輸出裝置8；
4、所述密閉箱裝置1內(nèi)部設(shè)有空腔，側(cè)面設(shè)有可開合門；箱內(nèi)空腔底部設(shè)有可更換式測試工位11，兼容電壓、電阻、氣體濃度、爆炸威力、溫度等多參數(shù)測試模塊；空腔頂部設(shè)置快速泄放通氣閥12，用于完成排氣，確保箱內(nèi)環(huán)境迅速恢復至初始狀態(tài)，滿足連續(xù)測試需求；
5、所述加熱裝置2固定于密閉箱裝置1底部的可更換式測試工位11下方，用于加熱可更換式測試工位11上放置的待測試鋰電池；
6、所述溫度監(jiān)測裝置3包括多通道k型熱電偶31殉爆判定、熱電偶測量端32和補償端33，熱電偶測量端32布設(shè)于待測試鋰電池面中心及極耳處，補償端33經(jīng)密封格蘭頭引出密閉箱裝置1外，直連數(shù)據(jù)輸出裝置8；
7、所述氣體監(jiān)測裝置4包括若干不同的氣體傳感器，分別設(shè)置于密閉箱裝置1內(nèi)腔側(cè)壁面上方；所述氣體傳感器包括co、co2、ch4、h2、o2特征氣體，監(jiān)測體積、濃度；數(shù)據(jù)實時上傳至數(shù)據(jù)輸出裝置8，與溫度、壓力信號同時間存儲，實現(xiàn)氣體釋放歷程與熱失控事件的精準對應(yīng)；
8、所述壓力監(jiān)測裝置5包括高頻動態(tài)壓力傳感器51，高頻動態(tài)壓力傳感器51設(shè)置于水平四個相互垂直方向與頂部，高頻動態(tài)壓力傳感器51探頭與箱體內(nèi)壁齊平，避免干擾；壓力監(jiān)測裝置5與數(shù)據(jù)輸出裝置8連接，與溫度、氣體數(shù)據(jù)同步記錄，用于后續(xù)爆炸嚴重性等級評估；
9、所述電壓采集裝置6包括電壓采集模塊61；電壓采集模塊61經(jīng)屏蔽同軸電纜62直接并聯(lián)于待測鋰電池正負極，完整捕捉殉爆前的電壓變化。其輸出端經(jīng)隔離接口與數(shù)據(jù)記錄端相連，實現(xiàn)遠程傳輸；
10、所述攝像頭拍攝裝置7包括防爆攝像頭71；防爆攝像頭71安裝于密閉箱裝置1內(nèi)腔正上方腔壁，防爆攝像頭71與數(shù)據(jù)輸出裝置8連接，進行同步拍攝記錄，影像與溫度、壓力、氣體信號采用同一時鐘源，實現(xiàn)毫秒級同步回放，可直觀分析鼓脹、噴氣、起火等關(guān)鍵瞬間；
11、數(shù)據(jù)輸出裝置8內(nèi)置工業(yè)級工控機，運行同步采集數(shù)據(jù)；
12、測試步驟如下：
13、s1?試驗前準備：
14、s1-1?樣品選取：取目標化學體系鋰電池，記錄額定容量?c0、初始質(zhì)量?m0、soc狀態(tài)；
15、s1-2箱體檢測：將待測鋰電池固定于密閉箱裝置（1）中，檢測真空保壓狀態(tài)；若合格則進入下一步，若不合格則調(diào)整裝置至合格；
16、s1-3?傳感器連接：
17、在待測鋰電池大面幾何中心、負極極耳、箱壁分別連接k型熱電偶（31）；
18、s1-4?環(huán)境：根據(jù)測試要求，向箱內(nèi)充入干燥空氣或設(shè)定混合氣，調(diào)節(jié)初始絕對壓力、溫度至設(shè)定區(qū)間；
19、s2?熱失控觸發(fā)
20、s2-1?加熱片均溫觸發(fā)：將待測鋰電池置于可更換式測試工位（11）表面，設(shè)定升溫速率?βoc?min-1，直至電池表面溫升速率?dt/dt?≥ts1oc?s-1持續(xù)?t1s，判定自產(chǎn)熱t(yī)1到達；繼續(xù)加熱至?dt/dt?≥ts2oc?s-1?持續(xù)?t2s，判定熱失控觸發(fā)t2，立即切斷加熱片電源并記錄?t2；
21、s3?多物理場同步采集
22、s3-1?加熱開始后溫度、壓力、氣體傳感器同步并行采樣；高速攝像頭持續(xù)記錄全程；
23、s3-2?數(shù)據(jù)對齊：所有通道以?ttl?脈沖上升沿為零時刻，后處理時統(tǒng)一時間軸；
24、s4?爆炸威力定量
25、s4-1?爆炸壓力：取軸向壓力傳感器算術(shù)平均值；
26、s4-2?峰值超壓?δpmax：取壓力傳感器算術(shù)平均，記錄熱失控后首個壓力峰值pmax，計算?δpmax=?pmax–?p0；
27、s4-3?爆炸指數(shù)?kst：依據(jù)密閉箱壓力-時間曲線，求最大升壓速率?(dp/dt)max，單位?m?bar?s-1；
28、s4-4?氣體產(chǎn)率：積分氣體傳感器各組分濃度曲線，得到熱失控后?t3s?內(nèi)氣體等摩爾產(chǎn)率?ni，換算為標準狀態(tài)體積產(chǎn)率?vi=?ni×?22.4?l?mol-1；
29、s4-5?火焰?zhèn)鞑ニ俣龋和ㄟ^高速攝像圖像，采用邊緣檢測算法提取火焰前鋒，計算火焰面積-時間導數(shù)，獲得最大火焰?zhèn)鞑ニ俣?sf-max；
30、s5?試驗后處理
31、待罐體溫度下降至設(shè)定值后，通入氮氣并打開頂部排氣扇；罐體內(nèi)部清洗潔凈后準備下一輪測試。
32、優(yōu)選地，所述步驟s1中，若模擬箱內(nèi)惰化保護，預充?co2與n2混合氣。
33、優(yōu)選地，所述步驟s1中，調(diào)節(jié)初始絕對壓力?p0=?0.1±?0.02?mpa，溫度?t0=?25oc±?2oc。
34、優(yōu)選地，所述裝置進行模組級殉爆擴展測試時，步驟如下：
35、（a）串并聯(lián)布置：將若干只鋰電池單體接成模組；
36、（b）中心觸發(fā)：僅對位于中間的一個鋰電池單體執(zhí)行步驟s2-1?加熱觸發(fā)，其余單體不主動加熱；
37、（c）?殉爆判定：相鄰單體表面溫度在?t3s?內(nèi)溫升?≥t3°c?且?dt/dt?≥ts3°cs-1?持續(xù)?t3s，視為發(fā)生熱擴展時刻t2’；記錄從t2’到第一只相鄰單體?t1的時間間隔?δt，量化熱擴散速度。
38、優(yōu)選地，升溫速率?β?=?5oc?min-1，直至電池表面溫升速率?dt/dt?≥?1oc?s-1?持續(xù)?3?s，判定自產(chǎn)熱（t1）到達；繼續(xù)加熱至?dt/dt?≥?10oc?s-1?持續(xù)?1?s，判定熱失控觸發(fā)（t2），立即切斷加熱片電源并記錄?t2。
39、進一步地，殉爆判定中，相鄰單體表面溫度在?5?s?內(nèi)溫升?≥?100?°c?且?dt/dt≥?1?°c?s-1?持續(xù)?3?s，視為發(fā)生熱擴展。
40、優(yōu)選地，所述加熱裝置2設(shè)有溫度控制器22，溫度控制器22置于箱外，通過正負電源線23及k型熱電偶24實現(xiàn)閉環(huán)控溫；升溫速率0～20oc?min-1可調(diào)，最高溫度600oc，控溫精度±1?oc，可編程階梯升溫，模擬多種熱濫用工況直至電池觸發(fā)熱失控。
41、優(yōu)選地，所述動態(tài)壓力傳感器?51的固有頻率≥200?khz，量程0–10?mpa，精度±0.1?%?fs，采樣頻率≥10?khz；
42、優(yōu)選地，所述電壓采集模塊61經(jīng)屏蔽同軸電纜62直接并聯(lián)于待測鋰電池正負極，輸入阻抗≥10?mω，量程0–10?v，分辨率0.1?mv，采樣率1?khz。
43、優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)輸出裝置8內(nèi)置工業(yè)級工控機，運行同步采集軟件，具備8通道16-bit并行adc、千兆網(wǎng)口及固態(tài)硬盤，連續(xù)存儲所有傳感數(shù)據(jù)≥2?h。測試結(jié)束自動生成報告（pdf/csv），包含溫度-壓力-氣體-電壓-影像同步曲線，顯著提高測試效率與數(shù)據(jù)可追溯性。
44、優(yōu)選地，所述防爆攝像頭71通過防爆玻璃布置?200?000?fps攝像頭,可見光?+?近紅外?950?nm。
45、優(yōu)選地，所述裝置還設(shè)有防爆燈71，位于裝置腔體內(nèi)頂部，亮度0–100?%可調(diào)，確保密閉黑暗環(huán)境下清晰成像。
46、第二方面，本發(fā)明提供一種第一方面所述的鋰電池殉爆測試系統(tǒng)。
47、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所帶來的顯著優(yōu)勢如下：
48、本技術(shù)實施例提供的鋰電池殉爆測試裝置，可實現(xiàn)模擬真實環(huán)境中鋰電池加熱殉爆過程中氣體、溫度、爆炸威力及影像的同步測試與記錄，顯著提升測試的準確性與效率。
49、零時刻對齊架構(gòu)以ttl脈沖上升沿為絕對時間基準，同時觸發(fā)溫度、壓力、氣體、火焰四類傳感器并行采樣，并將各通道數(shù)據(jù)對齊至≤0.1?ms誤差；密閉箱一體化結(jié)構(gòu)，所述密閉鐵箱罐體耐壓≥100?mpa，兩側(cè)對稱嵌入至少4個工業(yè)級激光光譜氣體傳感器，探頭直接與罐內(nèi)環(huán)境接觸且無管路損耗，更符合真實場景；從而在同一電池殉爆過程中同步獲取毫秒級“溫度-壓力-氣體-火焰”數(shù)據(jù)、50?ms級原位氣體濃度、以及模組級單點殉爆擴散速度，實現(xiàn)爆炸威力與熱擴散效率的聯(lián)合定量評價。