(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111106399 A(43)申请公布日 2020.05.05
(21)申请号 201911112246.7(22)申请日 2019.11.14
(71)申请人 清华大学
地址 100084 北京市海淀区清华园1号(72)发明人 王贺武 张亚军 李伟峰 李成
欧阳明高 李建秋 卢兰光 韩雪冰 杜玖玉 冯旭宁 (74)专利代理机构 北京华进京联知识产权代理
有限公司 11606
代理人 魏朋(51)Int.Cl.
H01M 10/42(2006.01)H01M 2/12(2006.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图3页
(54)发明名称
锂电池安全阀开启压力的设计方法、系统、安全阀及电池(57)摘要
本申请涉及一种锂电池安全阀开启压力的设计方法、系统、安全阀及电池。所述设计方法包括测量电池的原位压力和温度，拟合形成所述温度-压力函数。通过对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值。所述开启压力值为所述温度-压力函数二次导数为0的点。所述开启压力值表征了电池内部压力由电解液蒸发产气过程向电解液分解产气过程的转换节点。所述开启压力值使得安全阀在电解液分解阶段到来前泄压，有效阻止电池热失控的发生，提高了电池的安全性。
CN 111106399 ACN 111106399 A
权 利 要 求 书
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1.一种锂电池安全阀开启压力的设计方法，所述锂电池包括壳体和安全阀，所述安全阀设置于所述壳体，所述壳体包围形成电池腔，所述锂电池设置于气密腔，其特征在于，所述设计方法包括：
对所述锂电池进行加热或充电，且控制所述气密腔与所述锂电池的电池腔内的压力相同；
采集所述电池腔内的多个第一压力和多个与多个所述第一压力一一对应的第一温度；对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到温度-压力函数；对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值。
2.如权利要求1所述的锂电池安全阀开启压力的设计方法，其特征在于，对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值的包括：
对所述温度-压力函数进行一次求导，获得压升速率曲线图；根据所述压升速率曲线图获得压升速率转折平台(20)；对所述温度-压力函数进行二次求导，并获得压升速率变化曲线图；找到与所述转折平台(20)对应的压升速率变化为0的压力值，所述压力值即为所述安全阀的开启压力值。
3.如权利要求2所述的锂电池安全阀开启压力的设计方法，其特征在于，对所述温度-压力函数进行一次求导，获得压升速率曲线图的包括：对所述温度-压力函数进行一次求导，得到压升速率函数；根据所述压升速率函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率曲线图。4.如权利要求2所述的锂电池安全阀开启压力的设计方法，其特征在于，对所述温度-压力函数进行二次求导，并获得压升速率变化曲线图的包括：对所述温度-压力函数进行二次求导，得到压升速率变化函数；根据所述压升速率变化函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率变化曲线图。5.如权利要求1所述的锂电池安全阀开启压力的设计方法，其特征在于，采用高斯函数对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到所述温度-压力函数。
6.一种锂电池安全阀开启压力的设计系统，所述锂电池包括壳体和安全阀，所述安全阀设置于所述壳体，所述壳体包围形成电池腔，将所述锂电池设置于气密腔，其特征在于，包括：
原位实验模块，用于对所述锂电池进行加热或充电，且控制所述气密腔与所述锂电池的电池腔内的压力相同；
数据获取模块，用于获取所述电池腔内的多个第一压力和多个与多个所述第一压力一一对应的第一温度；
数据拟合模块，用于对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到温度-压力函数；
数据分析模块，用于对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值。
7.如权利要求6所述的锂电池安全阀开启压力的设计系统，其特征在于，所述数据分析
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权 利 要 求 书
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模块包括：
第一绘图模块，用于对所述温度-压力函数进行一次求导，并绘制压升速率曲线图；第一查找模块，用于根据所述压升速率曲线图找到压升速率转折平台(20)；第二绘图模块，用于对所述温度-压力函数进行二次求导，并绘制压升速率变化曲线图；
第二查找模块，用于找到与所述转折平台(20)对应的压升速率变化为0的压力值，所述压力值即为所述安全阀的开启压力值。
8.如权利要求7所述的锂电池安全阀开启压力的设计系统，其特征在于，所述第一绘图模块包括：
第一求导子模块，用于对所述温度-压力函数进行一次求导，得到压升速率函数；第一绘图子模块，用于根据所述压升速率函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率曲线图。
9.如权利要求7所述的锂电池安全阀开启压力的设计系统，其特征在于，所述第二绘图模块包括：
第二求导子模块，用于对所述温度-压力函数进行二次求导，得到压升速率变化函数；第二绘图子模块，用于根据所述压升速率变化函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率变化曲线图。
10.如权利要求6所述的锂电池安全阀开启压力的设计系统，其特征在于，所述数据拟合模块用于采用高斯函数对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到所述温度-压力函数。
11.一种安全阀，其特征在于，所述安全阀的开启压力通过实现权利要求1至6中任一项所述设计方法的得到。
12.一种电池，其特征在于，包含如权利要求11所述的安全阀。
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说 明 书
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锂电池安全阀开启压力的设计方法、系统、安全阀及电池
技术领域
[0001]本申请涉及电池技术领域，特别是涉及一种锂电池安全阀开启压力的设计方法、系统、安全阀及电池。背景技术
[0002]锂电池在热失控过程中，会发生胀包、泄气甚至是燃烧。单体热失控释放的高温烟气在电池包蔓延，造成热失控行为向临近的电池传播，造成整个模组甚至电池包热失控。电池包热失控会发生燃烧甚至爆炸，造成生命和财产损失。[0003]动力锂电池单体根据壳体机构不同分为：圆柱形电池、方壳电池和软包电池。圆柱形电池和方壳电池都安装有安全阀。当电池内部压力高于某一阈值时，安全阀开启，将电池内部的压力提前释放。软包电池内的压力达到一定程度时，会从电芯的包裹材料铝塑膜的薄弱处释放。释放压力在一定程度上会降低电池热失控的危害。但是目前电池安全阀的泄放压力设计并不是十分合理，安全阀的泄放不能完全阻止热失控的发生。发明内容
[0004]基于此，有必要针对怎样才能合理设计电池安全阀的泄放压力的问题，提供一种锂电池安全阀开启压力的设计方法、系统、安全阀及电池。[0005]一种锂电池安全阀开启压力的设计方法，所述锂电池包括壳体和安全阀，所述安全阀设置于所述壳体，所述壳体包围形成电池腔，所述锂电池设置于气密腔，所述设计方法包括：
[0006]对所述锂电池进行加热或充电，且控制所述气密腔与所述锂电池的电池腔内的压力相同。
[0007]采集所述电池腔内的多个第一压力和多个与多个所述第一压力一一对应的第一温度。
[0008]对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到温度-压力函数。[0009]对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值。[0010]在一个实施例中，对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值的包括：[0011]对所述温度-压力函数进行一次求导，获得压升速率曲线图。[0012]根据所述压升速率曲线图获得压升速率转折平台。[0013]对所述温度-压力函数进行二次求导，并获得压升速率变化曲线图。[0014]找到与所述转折平台对应的压升速率变化为0的压力值，所述压力值即为所述安全阀的开启压力值。
[0015]在一个实施例中，对所述温度-压力函数进行一次求导，获得压升速率曲线图的包括：
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说 明 书
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对所述温度-压力函数进行一次求导，得到压升速率函数。
[0017]根据所述压升速率函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率曲线图。[0018]在一个实施例中，对所述温度-压力函数进行二次求导，并获得压升速率变化曲线图的包括：
[0019]对所述温度-压力函数进行二次求导，得到压升速率变化函数。[0020]根据所述压升速率变化函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率变化曲线图。
[0021]在一个实施例中，采用高斯函数对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到所述温度-压力函数。
[0022]一种锂电池安全阀开启压力的设计系统。所述锂电池包括壳体和安全阀。所述安全阀设置于所述壳体。所述壳体包围形成电池腔。将所述锂电池设置于气密腔。所述设计系统包括原位实验模块、数据获取模块、数据拟合模块和数据分析模块。所述原位实验模块用于对所述锂电池进行加热或充电，且控制所述气密腔与所述锂电池的电池腔内的压力相同。所述数据获取模块用于获取所述电池腔内的多个第一压力和多个与多个所述第一压力一一对应的第一温度。所述数据拟合模块用于对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到温度-压力函数。所述数据分析模块用于对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值。
[0023]在一个实施例中，所述数据分析模块包括第一绘图模块、第一查找模块、第二绘图模块和第二查找模块。所述第一绘图模块用于对所述温度-压力函数进行一次求导，并绘制压升速率曲线图。所述第一查找模块用于根据所述压升速率曲线图找到压升速率转折平台。所述第二绘图模块用于对所述温度-压力函数进行二次求导，并绘制压升速率变化曲线图。所述第二查找模块用于找到与所述转折平台对应的压升速率变化为0的压力值，所述压力值即为所述安全阀的开启压力值。[0024]在一个实施例中，所述第一绘图模块包括第一求导子模块和第一绘图子模块。所述第一求导子模块用于对所述温度-压力函数进行一次求导，得到压升速率函数。所述第一绘图子模块用于根据所述压升速率函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率曲线图。[0025]在一个实施例中，所述第二绘图模块包括第二求导子模块和第二绘图子模块。所述第二求导子模块用于对所述温度-压力函数进行二次求导，得到压升速率变化函数。所述第二绘图子模块用于根据所述压升速率变化函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率变化曲线图。
[0026]在一个实施例中，所述数据拟合模块用于采用高斯函数对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到所述温度-压力函数。[0027]一种安全阀，所述安全阀的爆破压力通过实现上述任一实施例的所述方法的得到。
[0028]一种电池，包含上述实施例所述的安全阀。
[0029]本申请实施例提供的所述锂电池安全阀开启压力的设计方法。所述锂电池包括壳体和安全阀。所述安全阀设置于所述壳体。所述壳体包围形成电池腔。将所述锂电池设置于气密腔。对所述锂电池进行加热或充电，直至所述锂电池发生热失控。且在加热或充电过程
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中，所述气密腔与所述锂电池的电池腔内的压力相同。所述设计方法包括获取所述电池腔内的多个第一压力和多个与多个所述第一压力一一对应的第一温度。对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到温度-压力函数。对所述温度-压力函数进行二次求导，并计算二次导数为0时对应的压力值，所述压力值即为所述安全阀的开启压力值。[0030]所述开启压力值对应的温度-压力函数二次导数为0的点。所述开启压力值表征了电池内部压力由电解液蒸发产气过程向电解液分解产气过程的转换节点。所述开启压力值使得安全阀在电解液分解阶段到来前泄压，有效阻止电池热失控的发生，提高了电池的安全性。
附图说明
[0031]图1为本申请一个实施例中提供的所述锂电池安全阀开启压力的设计方法的流程图；
[0032]图2为本申请一个实施例中提供的所述温度-压力函数图；[0033]图3为本申请一个实施例中提供的所述压升速率曲线图；[0034]图4为本申请一个实施例中提供的所述压升速率变化曲线图。[0035]附图标记[0036]转折平台 20具体实施方式
[0037]为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。[0038]本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。[0039]在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。[0040]请参见图1，本申请实施例提供一种锂电池安全阀开启压力的设计方法。所述锂电池包括壳体和安全阀。所述安全阀设置于所述壳体。所述壳体包围形成电池腔。所述锂电池设置于气密腔，所述设计方法包括：[0041]S100，对所述锂电池进行加热或充电，且控制所述气密腔与所述锂电池的电池腔
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内的压力相同。[0042]S200，采集所述电池腔内的多个第一压力和多个与多个所述第一压力一一对应的第一温度。[0043]S300，对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到温度-压力函数。[0044]S400，对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值。[0045]在S100中，对所述锂电池进行加热或充电直至所述锂电池发生热失控。在所述热失控过程，控制所述气密腔与所述锂电池的电池腔内的压力保持相等。在所述锂电池热失控的过程中，所述锂电池内的温度和压力升高。对内外压相等情况的热失控进行测量成为原位测量。
[0046]在S200中，采集所述电池热失控过程中的多个所述第一压力和多个所述第一温度。多个所述第一压力与多个所述第一温度一一对应。
[0047]本申请实施例提供的所述锂电池安全阀开启压力的设计方法包括测量电池的原位压力和温度，拟合形成所述温度-压力函数。通过对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值。所述开启压力值为所述温度-压力函数二次导数为0的点。所述开启压力值表征了电池内部压力由电解液蒸发产气过程向电解液分解产气过程的转换节点。所述开启压力值使得安全阀在电解液分解阶段到来前泄压，有效阻止电池热失控的发生，提高了电池的安全性。
[0048]请一并参见图2，将多个所述第一压力与多个所述第一温度绘制成温度-压力图。所述温度-压力图中横坐标为温度，纵坐标为压力。当所述温度逐渐变大时，所述压力逐渐变大。在所述温度达到一定数值时，所述压力陡升。[0049]在一个实施例中，S400包括：[0050]S410，对所述温度-压力函数进行一次求导，获得压升速率曲线图。所述压升速率曲线图的横坐标为压力，纵坐标为压升速率。[0051]S420，根据所述压升速率曲线图获得压升速率转折平台20。[0052]S430，对所述温度-压力函数进行二次求导，并获得压升速率变化曲线图。[0053]S440，找到与所述转折平台20对应的压升速率变化为0的压力值，所述压力值即为所述安全阀的开启压力值。[0054]在S420中，所述转折平台20表征压力升高，压力变化速率基本不变。[0055]请一并参见图3，所述压升速率曲线图呈现3个台阶，分别为165kPa以前，165kPa至265kPa之间以及265kPa之后。当所述锂电池内部的压力达到265kPa之后，所述锂电池内部的压升速率迅速增大。所述锂电池内部压力失速增加。在转折平台20对应的所述265kPa表征电池内部压力由电解液蒸发产气过程向电解液分解产气过程的转换节点。因此，将所述265kPa作为所述开启压力值，即在所述锂电池内电解液发生化学分解之前，令安全阀泄压。将所述265kPa作为所述开启压力值可以保证在热失控之前，及时对所述锂电池泄压，有效避免热失控。
[0056]锂电池的电池包包括烟气传感器。所述电池泄放的烟气，会被所述烟气传感器感知，可以及时感知电池危险状态。
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请一并参见图4，所述压升速率变化曲线图的横坐标为压力，纵坐标为压力速率的
变化率。纵坐标为0的点对应的压力点为多个。其中第四个点对应于所述转折平台20，即265kPa所在点。
[0058]图3用于找到压升速率的变化趋势，图4用于找到所述开启压力值。[0059]在一个实施例中，S410包括：[0060]S411，对所述温度-压力函数进行一次求导，得到压升速率函数。[0061]S412，根据所述压升速率函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率曲线图。[0062]在一个实施例中，S412为先绘制温度-压升速率曲线，其中横坐标为温度，纵坐标为压升速率。根据温度与压力是一一对应的关系。将所述温度-压升速率曲线中的横坐标的温度替换为压力，即得到所述压升速率曲线图。[0063]在一个实施例中，S430包括：[0064]S431，对所述温度-压力函数进行二次求导，得到压升速率变化函数。[0065]S432，根据所述压升速率变化函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率变化曲线图。
[0066]在一个实施例中，S432为先绘制温度-压升速率变化曲线，其中横坐标为温度，纵坐标为压升速率变化。根据温度与压力是一一对应的关系。将所述温度-压升速率变化曲线中的横坐标的温度替换为压力，即得到所述压升速率变化曲线图。[0067]在一个实施例中，在S200中，采用高斯函数对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到所述温度-压力函数。
[0068]本申请实施例提供一种锂电池安全阀开启压力的设计系统。所述锂电池包括壳体和安全阀。所述安全阀设置于所述壳体。所述壳体包围形成电池腔。将所述锂电池设置于气密腔。所述设计系统包括原位实验模块、数据获取模块、数据拟合模块和数据分析模块。所述原位实验模块用于对所述锂电池进行加热或充电，且控制所述气密腔与所述锂电池的电池腔内的压力相同。所述数据获取模块用于获取所述电池腔内的多个第一压力和多个与多个所述第一压力一一对应的第一温度。所述数据拟合模块用于对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到温度-压力函数。所述数据分析模块用于对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值。
[0069]本申请实施例提供的所述锂电池安全阀开启压力的设计系统。通过所述原位实验模块和所述数据获取模块测量电池的原位压力和温度，所述数据拟合模块拟合形成所述温度-压力函数。通过所述数据分析模块对所述温度-压力函数进行二次求导，计算二次导数为0时对应的压力值，基于所述二次导数为0时对应的压力值获得所述安全阀的开启压力值。所述开启压力值为所述温度-压力函数二次导数为0的点。所述开启压力值表征了电池内部压力由电解液蒸发产气过程向电解液分解产气过程的转换节点。所述锂电池安全阀开启压力的设计系统得到的所述开启压力值使得安全阀在电解液分解阶段到来前泄压，有效阻止电池热失控的发生，提高了电池的安全性。[0070]在一个实施例中，所述数据分析模块包括第一绘图模块、第一查找模块、第二绘图模块和第二查找模块。所述第一绘图模块用于对所述温度-压力函数进行一次求导，并绘制压升速率曲线图。所述第一查找模块用于根据所述压升速率曲线图找到压升速率转折平台
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20。所述第二绘图模块用于对所述温度-压力函数进行二次求导，并绘制压升速率变化曲线图。所述第二查找模块用于找到与所述转折平台20对应的压升速率变化为0的压力值，所述压力值即为所述安全阀的开启压力值。[0071]在一个实施例中，所述第一绘图模块包括第一求导子模块和第一绘图子模块。所述第一求导子模块用于对所述温度-压力函数进行一次求导，得到压升速率函数。所述第一绘图子模块用于根据所述压升速率函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率曲线图。[0072]在一个实施例中，所述第二绘图模块包括第二求导子模块和第二绘图子模块。所述第二求导子模块用于对所述温度-压力函数进行二次求导，得到压升速率变化函数。所述第二绘图子模块用于根据所述压升速率变化函数和所述温度-压力函数，绘制所述压升速率变化曲线图。
[0073]在一个实施例中，所述数据拟合模块用于采用高斯函数对多个所述第一压力和多个所述第一温度进行拟合，得到所述温度-压力函数。[0074]本申请实施例提供所述安全阀，所述安全阀的爆破压力通过实现上述任一实施例的所述方法的得到。本申请实施例提供所述安全阀在电解液分解阶段到来前泄压，有效阻止电池热失控的发生，提高了电池的安全性。[0075]本申请实施例提供一种电池，包含上述实施例所述的安全阀。本申请实施例提供所述电池中所述安全阀在电解液分解阶段到来前泄压，有效阻止电池热失控的发生，提高了电池的安全性。
[0076]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0077]以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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图3
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图4
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