CN105653844B - 一种计算电池热能转换效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种计算电池热能转换效率的方法，该方法包括计算电池理论存储能量qn，充、放电时总的生成热q，q＝qrev+qirr，qrev为不同倍率充、放电时的可逆热，qirr为充、放电时的不可逆热；根据公式η＝q/qn计算出不同倍率充放电时热能转换效率。本发明提出了一种新的参数，即为热能转换效率，用于描述电池产生热能的相对值。电池工作时产生的热量决定了电池的温度分布，而本发明计算的热能转换效率能直观而有效的反应电池的生热量，进而预测电池的温度状态。

Description

一种计算电池热能转换效率的方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池能量的计算，具体地指一种计算电池热能转换效率的方法。
背景技术
随着电动汽车市场规模的日益壮大，锂离子电池作为一种广泛认可的车用电池具有极其重要的意义，它具有循环寿命长，能量密度高，低自放电率等优点。然而，锂离子电池的性能、寿命和安全与电池温度关系密切。因此，合理的热管理能够提升电池的性能，延长循环寿命，并且保证电池安全性。优化电池的热管理系统，需要深入分析电池工作时的热行为，这就有必要发现一种参数来评估电池的热行为。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种计算电池热能转换效率的方法。
实现本发明目的采用的技术方案是一种计算电池热能转换效率的方法，该方法包括以下步骤：
计算电池理论存储能量qn，充、放电时总的生成热q，q＝qrev+qirr，qrev为不同倍率充、放电时的可逆热，qirr为充、放电时的不可逆热；根据公式η＝q/qn计算出不同倍率充放电时热能转换效率。
在上述技术方案中，所述qn通过下式计算：
根据荷电状态与开路电压的定量关系对荷电状态从0到1求积分可得，式中，UOCV为开路电压，Cn为额定容量，SOC为荷电状态。
在上述技术方案中，其特征在于所述qrev通过下式计算：
式中，为开路电压对温度的导数，Cn为额定容量，SOC(0)至SOC(t)为荷电状态区间，SOC(t)的计算式为：I为电流，t为充、放电时间。
在上述技术方案中，所述所述qirr通过下式计算：
ΔV＝Vt-VOCV是电池充、放电时电压Vt与开路电压VOCV之差。
在上述技术方案中，所述中电池开路电压和荷电状态的定量关系式的建立过程为：
1)将处于放电截止电压的电池组以0.04C恒流充电25h或至充电截止电压后停止，记录电池组单体充电电压随荷电状态变化的充电曲线；
2)将所述电池组以0.04C恒流放电25h后或至放电截至电压后停止，记录电池组单体放电电压随荷电状态变化的放电曲线；
3)将所述充电曲线和所述放电曲线相加取平均值，得到电池组单体开路电压随荷电状态变化的开路电压曲线；
4)根据开路电压同荷电状态的关系式Uocv＝E0+K1lnSOC+K2ln(1-SOC)，式中Uocv为开路电压，SOC为荷电状态，E0、K1、K2为未知参数；以及所述开路电压曲线的对应值求出关系式中的未知参数，进而得到开路电压和荷电状态的定量关系式Uocv。
在上述技术方案中，根据电池类型确定充电制度和放电制度；
将电池按照确定的放电制度将其剩余电放完，接着按照确定的充电制度充电至充电截至电压，然后按照确定的放电制度放电至放电截至电压，将所放出的电荷值确定为电池组的额定容量。
在上述技术方案中，将按照确定的放电制度放完电的电池以多个不同倍率的恒流充电至充电截止电压后停止，得到不同电流下的充电电压与SOC曲线；并确定荷电状态区间。
在上述技术方案中，将按照确定的充电制度充满电的电池以多个不同倍率的恒流放电至放电截止电压后停止，得到不同电流下的放电电压与SOC曲线；并确定荷电状态区间。
在上述技术方案中，充电或者放电完毕后，将所述电池组静止2h。
在上述技术方案中，所述电池环境温度相同。
本发明提出了一种新的参数，即为热能转换效率，用于描述电池产生热能的相对值。电池工作时产生的热量决定了电池的温度分布，而热能转换效率能直观而有效的反应电池的生热量，进而预测电池的温度状态。现有定性研究电池产热的技术很多，但只说明了电池产热可分为可逆热和不可逆热，而没有定量说明电池产热效率的。因此，本发明提出电池热能转换效率有以下优点：
1)优化电池的工作参数降低热能转换效率，以提高电池的能量效率，节约资源。
2)根据热能转换效率能够分析电池在工作中的产热量，便于对电池的热管理。
3)能够通过热能转换率预测电池的温度分布，进而预测电池工作时的温度。
4)电池的性能与电池热能转换效率密切相关，通过电池热能转换效率的比较能够辨别电池的优劣。
附图说明
图1为本发明计算电池热能转换效率的方法流程图。
图2为在不同倍率充电时充电电压与SOC关系的充电曲线，以及开路电压与SOC关系的充电曲线。
图3为在不同倍率放电时放电电压与DOD(放电深度，DOD＝1-SOC)关系的放电曲线，以及开路电压与DOD关系的放电曲线。
图4为在不同倍率充电时可逆热、不可逆热和总的生成热与充电倍率关系的柱状图。
图5为在不同倍率放电时可逆热、不可逆热和总的生成热与放电倍率关系的柱状图。
图6为在不同倍率充电时计算得到的热能转换效率与充电倍率的关系图。
图7为在不同倍率放电时计算得到的热能转换效率与放电倍率的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
在说明本发明蓄电池能量效率测量方法之前，先对涉及的几个概念进行说明。
电池的充、放电热能转换效率：当对电池进行充、放电至结束，该过程产生的总的生成热为q，电池理论存储能量为qn，则电池充、放电过程中的热能转换效率的表达式为：
η＝q/qn
充、放电时总的生成热q，包括两部分可逆热(qrev)和不可逆热(qirr)，即q＝qrev+qirr。
下面对本发明电池热能转换效率的计算方法进行详细说明，本实施例以电池为某公司生产的LiFePO4型锂离子动力电池为例，该锂离子动力电池额定容量为60Ah。
如图1所示，本发明电池热能转换效率的计算方法具体包括如下步骤：
步骤S1、根据电池类型确定充电制度和放电制度
确定充电制度和放电制度是对电池实施操作的前提，根据这些制度可以确定如何将电池充满电、如何将电池电放完、测定额定容量和剩余容量、确定充电截至电压或结束条件、放电截至电压或结束条件，在充电制度和放电制度中包含了静止时间，在每完成一个充电或放电过程电池组都要静止一段时间才能进行下一步操作，静止时间以电池电压不在发生任何变动为准。
本实施例中电池类型为LiFePO4电池，其充电制度和放电制度既可由电池生产厂家提供，也可依据国家标准如QC/T742-2006、QC/T743-2006和QC/T744-2006分别对应铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池来设定。每完成一个充电或放电过程电池组都需要静止2h。
步骤S2、确定LiFePO4电池的额定容量
将LiFePO4电池组按照步骤S1确定的放电制度(以0.33C恒流放电)将其剩余电放完，接着按照步骤S1确定的充电制度(以0.33C恒流充电)充电至充电截至电压，单体平均电压达到3.6V，正常情况下电池能够达到的最高电压)，然后按照步骤S1确定的放电制度(以0.33C恒流放电)放电至放电截至电压(单体平均电压到2.5V，正常情况下电池能够达到的最低电压)，记录所放出的电荷值，即为LiFePO4电池的额定容量。
步骤S3、获得电池的0.04C充电曲线
将LiFePO4电池以0.33C(QC/T744-2006提供测试额定容量时采用的充电和放电电流值，在本实例中需要把电池充满电或放完电使用的电流大小就是0.33C)恒流放电至放电截止电压，静止2h后，以0.04C恒流充电25h(0.04C对应的充满电的时间就是25h)或至充电截止电压后停止，记录LiFePO4电池单体充电电压随荷电状态(SOC)变化的充电曲线。
步骤S4、获得电池的0.04C放电曲线
静止2h，将步骤S3得到的LiFePO4电池以0.04C恒流放电25h(0.04C对应的放完电的时间就是25h)后或至放电截至电压后停止，记录LiFePO4电池单体放电电压随荷电状态(SOC)变化的放电曲线。
步骤S5、将步骤S3得到的充电曲线和步骤S4得到的放电曲线相加取平均值，得到LiFePO4电池单体开路电压(UOCV)随荷电状态(SOC)变化的实验曲线。本实施例依据文献(JPower Sources,134(2004)262-272)选取0.04C的充电曲线和0.04C的放电曲线相加取平均值的得到开路电压曲线。
步骤S6、依据文献(J Power Sources,134(2004)262-272)提供的开路电压UOCV同荷电状态SOC的关系式Uocv＝E0+K1lnSOC+K2ln(1-SOC)，把步骤S5得到的开路电压UOCV与荷电状态SOC的实验曲线代入上述关系式，采取迭代方式获取上述关系式中的三个未知参数E0、K1、K2，E0为电动势，K1和K2为待定系数，从而建立电池开路电压UOCV和荷电状态SOC的定量关系式，根据此定量关系式得到拟合曲线，如图2和图3中实线就是通过该关系拟合得到的。
步骤S7、确定不同倍率充、放电曲线
将LiFePO4电池以0.33C恒流放电至放电截止电压，静止2h后，以2C恒流充电0.5h(2C对应的充满电的时间就是0.5h)或至充电截止电压后停止，记录LiFePO4电池单体充电电压随荷电状态(SOC)变化的充电曲线，如图2中2C充电曲线所示；静止2h，0.33C恒流放电至放电截止电压，静止2h后，以0.33C恒流充电值截至电压，静止2h后以2C恒流放电0.5h(2C对应的放完电的时间就是0.5h)后或至放电截至电压后停止，记录LiFePO4电池单体放电电压随荷电状态(SOC)变化的放电曲线，如图3中2C放电曲线所示；其他倍率充放电曲线也可同理得到。
步骤S8、确定充、放电时的不可逆热
确定荷电状态SOC区间，即SOC(0)至SOC(t)，其中，SOC(0)为起始SOC，SOC(t)为终止SOC。不可逆热qirr计算式为，
ΔV＝Vt-VOCV是电池充、放电时电压Vt(由步骤S7得到)与开路电压UOCV(由步骤S6得到)之差，Cn为额定容量，SOC(0)至SOC(t)为荷电状态区间，SOC(t)的计算式为：I为电流(充电时为负值，放电时为正值)，t为充电或放电时间。
步骤S9、确定充、放电时的可逆热
可逆热qrev为：式中，为开路电压对温度求导。通过下列步骤求取首先固定SOC值，测量不同温度下的Uocv并作图求斜率即为该SOC下的然后改变SOC值重复上述步骤就可得到与SOC曲线。
步骤S10、根据在相同荷电状态(SOC)区间时步骤S8得到的不可逆热qirr，和步骤S9得到的可逆热qrev，即可得到充、放电时总的生成热q，即q＝qrev+qirr，不同倍率充电时可逆热、不可逆热和总的生成热与充电倍率关系如图4所示，不同倍率充电时可逆热、不可逆热和总的生成热与放电倍率关系如图5所示。
步骤S11、根据开路电压UOCV与荷电状态的定量关系，计算电池理论存储能量qn，计算公式为
步骤S12、由上述S10和S11，可计算出不同倍率充放电时热能转换效率，计算公式为
η＝q/qn
在充电条件下，不同充电倍率得到的热能转换效率如图6中所示。在放电条件下，不同放电倍率得到的热能转换效率如图7中所示。
需要说明的是，上述步骤S7中，也可以采用除2C恒流以外的恒流充电、放电，都可以实现蓄电池热能转换效率的计算，计算步骤与上述方法类似。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (7)

1.一种计算电池热能转换效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
计算电池理论存储能量qn，充、放电时总的生成热q，q＝qrev+qirr，qrev为不同倍率充、放电时的可逆热，qirr为充、放电时的不可逆热；根据公式η＝q/qn计算出不同倍率充放电时热能转换效率；
所述qn通过下式计算：
根据荷电状态与开路电压的定量关系对荷电状态从0到1求积分可得，式中，UOCV为开路电压，Cn为额定容量，SOC为荷电状态；
所述qrev通过下式计算：
式中，为开路电压对温度的导数，Cn为额定容量，SOC(0)至SOC(t)为荷电状态区间，SOC(t)的计算式为：I为电流，t为充、放电时间；
所述qirr通过下式计算：
ΔV＝Vt-VOCV是电池充、放电时电压Vt与开路电压VOCV之差。
2.根据权利要求1所述计算电池热能转换效率的方法，其特征在于所述电池开路电压和荷电状态的定量关系式的建立过程为：
1)将处于放电截止电压的电池组以0.04C恒流充电25h或至充电截止电压后停止，记录电池组单体充电电压随荷电状态变化的充电曲线；
2)将所述电池组以0.04C恒流放电25h后或至放电截至电压后停止，记录电池组单体放电电压随荷电状态变化的放电曲线；
3)将所述充电曲线和所述放电曲线相加取平均值，得到电池组单体开路电压随荷电状态变化的开路电压曲线；
4)根据开路电压同荷电状态的关系式Uocv＝E0+K1lnSOC+K2ln(1-SOC)，式中Uocv为开路电压，SOC为荷电状态，E0、K1、K2为未知参数；以及所述开路电压曲线的对应值求出关系式中的未知参数，进而得到开路电压和荷电状态的定量关系式Uocv。
3.根据权利要求2所述计算电池热能转换效率的方法，其特征在于：
根据电池类型确定充电制度和放电制度；
将电池按照确定的放电制度将其剩余电放完，接着按照确定的充电制度充电至充电截至电压，然后按照确定的放电制度放电至放电截至电压，将所放出的电荷值确定为电池组的额定容量。
4.根据权利要求1所述计算电池热能转换效率的方法，其特征在于：
将按照确定的放电制度放完电的电池以多个不同倍率的恒流充电至充电截止电压后停止，得到不同电流下的充电电压与SOC曲线；并确定荷电状态区间。
5.根据权利要求1所述计算电池热能转换效率的方法，其特征在于：
将按照确定的充电制度充满电的电池以多个不同倍率的恒流放电至放电截止电压后停止，得到不同电流下的放电电压与SOC曲线；并确定荷电状态区间。
6.根据权利要求2～5任一项所述计算电池热能转换效率的方法，其特征在于：充电或者放电完毕后，将所述电池组静止2h。
7.根据权利要求1～5任一项所述计算电池热能转换效率的方法，其特征在于：所述电池环境温度相同。
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