動力電池內短路模擬的封裝結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種動力電池內短路模擬的封裝結構，屬于電池技術領域。一種動力電池內短路模擬的封裝結構，其包括一殼體、一蓋體、一內短路模擬電路。所述殼體具有一收容空間以及一個開口。所述蓋體包括一個蓋板、兩個極耳、兩個極柱，所述兩個極耳和所述兩個極柱分別間隔相對設置在蓋板的兩側。所述內短路模擬電路包括一個開關，一個定值電阻，以及導線。所述定值電阻通過導線以及開關與所述兩個極耳電連接。
【專利說明】
動力電池內短路模擬的封裝結構
技術領域
[0001] 本實用新型屬于電池技術領域，具體涉及一種電池封裝結構。
【背景技術】
[0002] 在能源緊缺與環境污染的雙重壓力下，新能源的廣泛應用已經成為不可逆的科技 發展趨勢。汽車動力系統電動化已逐漸成為未來汽車技術發展的主要趨勢。汽車動力系統 電動化的主要特征之一即使用電能代替化學能作為車輛主要的驅動能量來源。電能的儲存 需要一定的載體，即電化學儲能系統。鋰離子動力電池能量密度高，循環壽命長，已經成為 電動汽車動力來源的主要選擇之一。
[0003] 然而，隨著電動汽車的逐漸推廣，鋰離子動力電池的安全性事故時發生。鋰離子動 力電池事故通常表現為以熱失控為核心的溫度驟升、冒煙、起火甚至爆炸等現象。相關的事 故威脅著人民群眾的生命財產安全，阻礙了電動汽車的大規模產業化。
[0004] 鋰離子動力電池熱失控事故可能由多種誘因引發，事故調查發現，近年來，由于動 力電池內短路造成的熱失控事故的事例正逐年增多。在動力電池制造過程中，其內部可能 混入雜質，也可能存在結構缺陷（如應力集中造成的開裂，或者預應力造成的裙皺等）。在動 力電池使用過程中，電池內部的電化學電位受到其內部雜質以及結構缺陷的影響，導致這 些有缺陷的部位電化學電位分布異常。異常的電位分布會誘導金屬枝晶（如鋰枝晶、鐵枝 晶、銅枝晶等)在異常部位生長。枝晶的生長會最終刺破隔膜，導致電池內短路的發生。
[0005] 在動力電池使用過程中，內短路從產生到最終造成動力電池熱失控需要經歷數小 時的時間。在這內短路發生與發展的數小時期間內，必須及時檢測到內短路的發生并判斷 內短路的程度，提早進行預警，以保障車內乘員的生命財產安全。即需要可靠有效的內短路 早期檢測算法，以對于內短路的發生進行早期預警。
[0006] -旦開發出內短路早期檢測算法，其實際效果和可靠性就需要進行檢驗。此時，需 要在電池組內設置一個具有內短路的動力電池，并在實際使用工況條件下將內短路觸發， 才能有效地測試內短路檢測算法的實際效果和可靠性。然而，目前對于內短路的具體成因 尚不是完全清楚，很難獲取在使用過程中發生了內短路的電池。一般地，只有在事故發生之 后，才能通過事故調查發現動力電池發生了內短路。就算開發出了內短路早期檢測算法，也 無法對于該種算法的實際效果和可靠性進行評估。
[0007] 因此，設計實驗裝置以定量模擬動力電池內短路的行為，對于評估內短路檢測算 法的可靠性非常有必要。目前，設計實驗裝置定量模擬動力電池內短路包括三類主要的方 法：1)通過機械擠壓或穿刺引發電池隔膜破裂造成內短路;2)在電池正負極之間引入雜質 顆粒，在對應位置進行擠壓而引發內短路;3)在電池內部內置可控材料(如石蠟、記憶合金 等），使用特定的觸發條件(如升溫等)來激活可控材料，可控材料屬性變化(如石蠟熔化、記 憶合金變形等)導致電池正負極短接，從而模擬內短路。
[0008] 在用于評估算法可靠性方面，以上的三類模擬內短路的方法都具有一定的缺點。 方法1)會造成電池結構的破壞，而實際情況下，實際使用過程中的電池內短路很少由于電 池結構破壞而發生。另外，方法1)造成的內短路不穩定，可能直接造成電池的熱失控，而不 能模擬早期內短路，無法用于內短路檢測算法的驗證。方法1)的可重復性也不是很好，不能 保證每次都能造成穩定的定量內短路。
[0009] 方法2)同樣會造成電池變形，也不能較好地模擬實際情況下的內短路。方法2)造 成的內短路也不穩定，可能直接造成電池的熱失控。并且，引入雜質顆粒時，雜質顆粒的微 觀形貌難以控制，不能保證內短路的可重復性，也不能獲得準確的不同程度的定量內短路。
[0010] 方法3)不會造成電池變形，但是，內置可控材料需要一定的條件加以觸發，如升溫 熔化石蠟，或者升溫激發記憶合金變形。升溫過程本身改變了電池的正常工作溫度，可能造 成電池內部其他副反應的發生，影響了電池的電化學和產熱特性。方法3)所引入的可控材 料與電池正負極之間的微觀形貌與微觀作用關系難以確定，仍然不能有效地定量控制內短 路的程度，不能保證內短路的可重復性。 【實用新型內容】
[0011] 有鑒于此，有必要提出一種動力電池內短路模擬的封裝結構，可以在實驗過程中 定量模擬動力電池內短路，內短路效果穩定，可重復性好。
[0012] -種動力電池內短路模擬的封裝結構，其包括一殼體、一蓋體、一內短路模擬電 路。所述殼體具有一收容空間以及一個開口。所述蓋體包括一個蓋板、兩個極耳、兩個極柱， 所述兩個極耳和所述兩個極柱分別間隔相對設置在蓋板的兩側。所述內短路模擬電路包括 一個開關，一個定值電阻，以及導線。所述定值電阻通過導線以及開關與所述兩個極耳電連 接。
[0013] 本實用新型提出的動力電池內短路模擬的封裝結構，可以根據需要收納兩個電池 單體從而構成具有內短路功能的封裝電池，可以定量模擬動力電池在不同程度的內短路情 況下的電化學效應以及熱效應，實現了用實驗模擬動力電池在內短路條件下，電壓與溫度 的變化情況。該動力電池內短路模擬的封裝結構應用于模擬裝置時，對于內短路觸發的模 擬是可控的，可以模擬在實際情況下，電池內部突發的內短路情況。同時，該模擬裝置輸出 的電壓、溫度結果可以為開發內短路早期檢測算法提供數據，用于驗證所開發的內短路早 期檢測算法的有效性和可靠性。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型實施例提供的動力電池內短路模擬的封裝結構的示意圖。
[0015] 圖2為本實用新型實施例提供的由圖1中的封裝結構封裝的具有內短路功能的封 裝電池。
[0016] 圖3為本實用新型實施例提供的使用所述具有內短路功能的封裝電池進行內短路 模擬的流程圖。
[0017] 圖4為本實用新型實施例提供的使用所述具有內短路功能的封裝電池進行內短路 模擬過程中，溫度傳感器的放置位置。
[0018] 圖5為本實用新型實施例中，使用1/3C的電流，對于具有不同阻值的具有內短路功 能的封裝電池進行充電測試的結果。
[0019] 圖6為本實用新型實施例中，使用1/3C的電流，對于具有不同阻值的具有內短路功 能的封裝電池進行放電測試的結。
[0020] 圖7為本實用新型實施例中，使用FUDS工況，對于無內短路的具有內短路功能的封 裝電池進行放電測試的結果。
[0021] 圖8為本實用新型實施例中，使用FUDS工況，對于具有2.5 Q阻值的具有內短路功 能的封裝電池進行放電測試的結果，其中內短路在測試開始時觸發。
[0022]圖9為本實用新型實施例中，使用FUDS工況，對于具有2.5 Q阻值具有內短路功能 的封裝電池進行放電測試的結果，其中內短路在測試過程中突然觸發。
[0023]主要元件符號說明
[0025] 如下【具體實施方式】將結合上述附圖進一步說明本實用新型。
【具體實施方式】
[0026] 下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過 參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新 型的限制。
[0027] 請參見圖1及圖2,本實用新型實施例提供一種動力電池內短路模擬的封裝結構 60，其包括其包括一蓋體10、一殼體40、一內短路模擬電路30。所述殼體40為一端開口的中 空結構用于容納所述內短路模擬電路30以及至少兩個單體電池20,所述蓋體10蓋合在該開 口上從而形成封裝結構。
[0028] 所述殼體40為一端開口的中空腔體結構來容納并機械約束所述內短路模擬電路 30以及所述至少兩個單體電池20,其具有一開口 42以及一收容空間44。該殼體40的形狀不 限，可根據實際應用時電池組的單體電池20的形狀來設計。本實用新型實施例中，所述殼體 40為一中空的長方體。該殼體40優選采用硬質耐熱的材料制成，更為優選地，所述殼體40的 材料可以為硬質耐熱的金屬材料制成，如鋼或鋁。本實用新型實施例中，所述殼體40為鋼 殼。
[0029] 所述蓋體10包括一蓋板14,該蓋板14具有相對的第一表面以及第二表面，所述第 一表面遠離所述殼體40的開口，所述第二表面靠近所述殼體40的開口。該蓋板14的形狀可 根據實際的需要來制作。優選地，該蓋板14為片狀。該蓋板14可由絕緣材料，也可由金屬材 料制成。本實施例中，該蓋板14為鋁合金材料。
[0030] 所述蓋體10進一步包括兩個極柱16以及兩個極耳12,所述兩個極柱16間隔相對設 置在所述蓋板14的第一表面，所述兩個極耳12間隔相對設置在所述蓋板14的第二表面。所 述兩個極柱16分別與所述兩個極耳12電連接。本實施例中，所述兩個極柱16包括間隔設置 的正極極柱以及負極極柱。所述兩個極耳12包括間隔設置的正極極耳以及負極極耳。所述 正極極耳以及負極極耳分別具有兩端，所述正極極柱與所述正極極耳的一端電連接，所述 正極極耳的另一端與所述電池組的正極端電連接，所述負極極柱與所述負極極耳的一端電 連接，所述負極極耳的另一端與所述電池組的負極端連接。所述兩個極柱16、所述兩個極耳 12均與所述蓋板14絕緣。所述兩個極柱16、所述兩個極耳12的材料為導電材料。所述蓋板 14、所述兩個極柱16以及所述兩個極耳12可以為一體結構。本實施例中，所述兩個極柱16、 所述兩個極耳12均為片狀結構，由金屬銅制成。
[0031] 所述內短路模擬電路30包括一開關32,導線34,以及定一阻值電阻36。所述定值電 阻36的一端通過導線34與所述開關32電連接后再與所述兩個極耳12中的一個電連接，所述 定值電阻36的另一端通過導線34直接與所述兩個極耳中12的另一個電連接。所述定值電阻 36設置在所述殼體40的收容空間44內，可以設置在所述收容空間44的中央，將該收容空間 44平分。所述開關32及所述導線34的位置不限，只要能實現電連通以及控制電路閉合斷開 的功能即可。使用時，可以將至少兩個單體電池20相對封裝在所述收容空間44中，該兩個單 體電池20將所述定值電阻36夾設在該至少兩個單體電池20之間。所述兩個極耳16將該至少 兩個單體電池20并聯連接在一起，所述殼體40和所述蓋體10將所述至少兩個單體電池20封 裝成一個封閉結構，從而獲得一具有內短路功能的封裝電池100。當需要定量模擬內短路 時，將開關302閉合，所述內短路模擬電路30導通形成一放電回路。該具有內短路功能的封 裝電池100的電量在所述定值電阻36上釋放，該具有內短路功能的封裝電池100的電壓降 低，同時該定值電阻36處由于有電流通過而顯著發熱。通過上述方法，模擬了該具有內短路 功能的封裝電池100內部內短路的電化學效應和熱效應。
[0032] 在實際應用時，所述定值電阻36可以選取不同阻值的電阻。所述動力電池內短路 模擬的封裝結構60可以定量模擬不同程度內短路的電化學效應和熱效應。另外，模擬內短 路的所述內短路模擬電路30可以通過所述開關302進行控制。因此模擬內短路的觸發是可 控的，即可以模擬突發的內短路情況。另外，所述定值電阻36可以放置在所述具有內短路功 能的封裝電池100內部的所述至少兩節單體電池20之間的任一位置，從而可以模擬不同位 置的動力電池內短路。
[0033] 請參見圖3,下面進一步給出所述具有內短路功能的封裝電池100的使用和測試方 法，其具體包括以下步驟：
[0034] S1，提供所述動力電池內短路模擬的封裝結構60,以及所述至少兩個單體電池20， 并封裝形成所述具有內短路功能的封裝電池100;
[0035] S2,選取不同阻值的定值電阻36,使用給定電流工況對于所述具有內短路功能的 封裝電池100進行內短路測試；以及
[0036] S3,監測并分析內短路測試中的電壓、溫度的測量結果，為開發內短路早期檢測算 法提供數據支持。
[0037]本實施例中，在上述步驟S1中，所述單體電池20為具有鋁塑膜包裝的軟包鋰離子 動力電池。該單體電池20的正極活性材料為鎳鈷猛三元材料，負極活性材料為石墨。單體電 池20的容量為12.5Ah。提供兩個材料和幾何結構完全相同的單體電池20進行并聯連接，按 照附圖2組裝成為總容量為25Ah的所述具有內短路功能的封裝電池100。
[0038] 在上述步驟S2中，可將所述具有內短路功能的封裝電池100放入溫度可控的恒溫 控制箱內，使用電池充放電設備，設定一定的電流工況，對于制作好的所述具有內短路功能 的封裝電池100進行內短路測試。如附圖3所示，測試過程中，除記錄電池輸出電壓V之外，還 可以在附圖4中X形標記處放置溫度傳感器，記錄測試過程中，電池內部的溫度TC內以及電池 表面的溫度TO卜。
[0039] 在步驟S2過程中，本實施例選取了不同阻值的定值電阻36,使用了不同的充放電 工況對于本實用新型的所述具有內短路功能的封裝電池1〇〇的特性進行了大量的實驗測 試。具體進行的測試如表1所示：
[0040] 表1對于所述具有內短路功能的封裝電池100進行的系列測試實驗
[0042]請參看附圖5,為本實用新型實施例中，使用1/3C的電流，對于具有不同阻值的定 值電阻36的所述具有內短路功能的封裝電池100進行充電測試的結果。可以看出，在電池內 部不發生短路的情況下，電池充電容量為25.4Ah，而在電池內部發生短路的情況下，電池的 充電容量將大于25.4Ah。這說明內短路在充電過程中消耗了一定的電池電量，使得電池的 充電時間延長。對于1 Q內短路的情況而言，充電容量達到41.7Ah，比無內短路情況增加了 64%。這是非常明顯的內短路造成的結果。內短路電阻越小，短路電流越大，短路程度越嚴 重，充電的時間也越長。從充電曲線上看，電池的充電曲線明顯降低，這是明顯的內短路造 成的電化學效應。從溫度曲線上看，內短路電阻越小，短路電流越大，短路點產熱越大。在無 內短路發生的情況下，充電過程中的最大溫升僅為1.6°C;而對于1Q內短路的情況而言，最 大充電溫升可以達到7.4°C。這是非常明顯的內短路造成的產熱效應。
[0043]請參看附圖6,為本實用新型實施例中，使用1/3C的電流，對于具有不同阻值的定 值電阻36的所述具有內短路功能的封裝電池100進行充電測試的結果。可以看出，在電池內 部不發生短路的情況下，電池放電容量為25.4Ah，而在電池內部發生短路的情況下，電池的 放電容量將小于25.4Ah。這說明內短路在充電過程中消耗了一定的電池電量，使得電池的 放電時間縮短。對于1Q內短路的情況而言，放電容量僅為20.7Ah，比無內短路的情況減少 了 18.5%。這是明顯的內短路造成的結果。內短路電阻越小，短路電流越大，短路程度越嚴 重，放電時間也越短。從放電曲線上看，電池的放電曲線偏低，這是內短路造成的電化學效 應。從溫度曲線上看，內短路電阻越小，短路電流越大，短路點產熱越大。在無內短路發生的 情況下，放電過程中的最大溫升僅為〇.4°C;而對于1 Q內短路的情況而言，最大放電溫升可 以達到9.1°C。這是非常明顯的內短路造成的產熱效應。
[0044]綜合附圖5和圖6的結果，可以證明本實用新型提出的所述具有內短路功能的封裝 電池100可以定量模擬不同程度的動力電池內短路。
[0045]請參看附圖7,在本實用新型實施例中，使用FUDS工況，對于無內短路情況的所述 具有內短路功能的封裝電池100進行測試的結果。可以看出，在反復進行的FUDS工況放電過 程中，電池可以放電的時間長于25000秒，電池內部最高溫度約為26.5°C，表面最高溫度約 為25.6°C。
[0046]請參看附圖8,在本實用新型實施例中，使用FUDS工況，對于具有不同阻值的定值 電阻36的所述具有內短路功能的封裝電池100進行放電測試的結果，內短路在測試開始時 觸發。可以看出，反復進行的FUDS工況放電過程中，電池可以放電的時間僅為22180秒，小于 無內短路的放電時間，這是由于電池內短路造成的結果。同時，在FUDS工況進行過程中，在 2.5 Q內短路的情況下，電池內部最高溫度可以達到38°C，而表面最高溫度也接近29°C。電池 內部最高溫度和表面最高溫度均大于附圖6中無內短路的情況。
[0047]請參看附圖9,為本實用新型實施例中，使用FUDS工況，對于具有不同阻值的定值 電阻36的所述具有內短路功能的封裝電池100進行放電測試的結果，內短路在測試過程中 突然觸發。在測試初期，沒有開啟內短路開關，即電池內部不發生內短路。電池內部溫度最 高為26.2 〇C，表面溫度最高為25.6〇C，與附圖6中的無內短路情況相近。在測試進行到7312s 附近，內短路開關閉合，電池內部發生突然觸發的2.5 Q的內短路。內短路突然觸發之后，電 池內部溫度上升到38〇C，表面溫度上升到28.2〇C，這與附圖8中的結果相近。綜合附圖7、附 圖8、附圖9的結果，可以說明，本實用新型提出的所述具內短路功能的封裝電池10可以實現 定量可控的功能。
[0048] 總結上述敘述中，各個測試結果中的充放電容量，以及最大溫升，匯總于表2:
[0049] 表2內短路系列測試關鍵結果匯總
[0051] 表2中所提供的定量的測試數據為電池管理系統開發內短路早期檢測算法提供了 重要的依據。可以根據表2中的實驗結果，以及利用本實用新型所提出的所述具有內短路功 能的封裝電池100來給出內短路早期檢測算法檢出內短路的判定準則。也可以使用本實用 新型提出的所述具內短路功能的封裝電池，選取一定的內短路電阻，施加一定的電流工況， 來驗證所開發的內短路早期檢測算法的有效性和可靠性。
[0052] 綜上所述，本實用新型提出了一種動力電池內短路模擬的封裝結構，該結構可以 提供一種電池封裝方案，在電池內部插入給定阻值的貼片電阻來獲得具有內短路功能的封 裝電池，從而定量模擬動力電池內短路的發生。內部插入的電阻不影響電池本身的電化學 性能，能夠較好地模擬電池內部的短路時，電池電化學效應以及熱效應，可以用實驗模擬電 池電壓與溫度的變化情況。同時，由于阻值固定，可以定量地觀察不同程度內短路情況下， 電池的電壓與溫度的變化情況。該方法可重復性好，只需按動開關即可方便觸發內短路。從 而能夠定量地評估不同程度內短路情況下，電池的危險程度，也能夠用于開發內短路檢測 算法，并定量評估內短路檢測算法的有效性。該方案對評估電池內短路早期檢測算法具有 重要的意義，將有助于提高動力電池安全管理的可靠性，減少動力電池安全性事故的發生。
[0053] 另外，本領域技術人員還可以在本實用新型精神內做其他變化，這些依據本實用 新型精神所做的變化，都應包含在本實用新型所要求保護的范圍內。
【主權項】
1. 一種動力電池內短路模擬的封裝結構，其包括一殼體、一蓋體、一內短路模擬電路， 所述殼體具有一收容空間以及一個開口，所述蓋體包括一個蓋板、兩個極耳、兩個極柱，所 述兩個極耳和所述兩個極柱分別間隔相對設置在蓋板的兩側，所述內短路模擬電路包括一 個開關，一個定值電阻，以及導線，所述定值電阻通過導線以及開關與所述兩個極耳電連 接。2. 如權利要求1所述的動力電池內短路模擬的封裝結構，其特征在于，所述收容空間用 于收容所述定值電阻以及所述兩個極柱。3. 如權利要求2所述的動力電池內短路模擬的封裝結構，其特征在于，所述開口的面積 與所述蓋板的面積相同。4. 如權利要求1所述的動力電池內短路模擬的封裝結構，其特征在于，所述兩個極耳分 別與所述兩個極柱電連接。5. 如權利要求4所述的動力電池內短路模擬的封裝結構，其特征在于，所述定值電阻的 一端通過導線與所述開關電連接后再與所述兩個極耳中的一個電連接，所述定值電阻的另 一端通過導線直接與所述兩個極耳中的另一個電連接。6. 如權利要求5所述的動力電池內短路模擬的封裝結構，其特征在于，所述開關閉合 后，所述定值電阻與所述兩個極耳電連通。7. 如權利要求1所述的動力電池內短路模擬的封裝結構，其特征在于，所述定值電阻固 定于所述收容空間內。8. 如權利要求7所述的動力電池內短路模擬的封裝結構，其特征在于，所述定值電阻固 定于所述收容空間的中央。9. 如權利要求4所述的動力電池內短路模擬的封裝結構，其特征在于，所述收容空間用 于收納至少兩個并聯的電池單體，所述定值電阻夾持于該兩個并聯的電池單體之間。10. 如權利要求1所述的動力電池內短路模擬的封裝結構，其特征在于，所述殼體為金 屬材料制成。
【文檔編號】H01M10/42GK205595417SQ201620166971
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年3月4日
【發明人】馮旭寧, 盧蘭光, 歐陽明高, 李建秋, 何向明
【申請人】清華大學