CN107044999B - 一种电芯比热容测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电芯比热容测试系统及方法，属于电芯比热容测试技术领域，为解决现有装置及方法成本高和精确度低等问题而设计。本发明电芯比热容测试方法，将待测试电芯设置于加热件外周，将石棉设置于待测试电芯外周；加热件对待测试电芯加热预设时间；采集待测试电芯处于加热时间的指定时间段内的起始测试温度T_起和终止测试温度T_终；计算加热件在指定时间段内对待测试电芯的加热量Q；计算待测试电芯的比热容C，其中C＝Q/m/(T_终‑T_起)。本发明电芯比热容测试系统及方法，结构简单、操作方便、测试结果的精确度较高，能够在企业或高校无加速绝热量热仪等相关绝热设备前提下，对待测试的电芯比热容进行测量，适用范围广。

Description

一种电芯比热容测试系统及方法

技术领域

本发明涉及电芯比热容测试技术领域，尤其涉及一种电芯比热容测试系统及方法。

背景技术

随着新能源汽车的发展，新能源汽车电池包安全性与寿命的相关研究中，电池包热管理研究的重要程度不断提升。

目前，电池热管理当前主要通过理论，实验，仿真三种办法来研究。无论通过哪种办法对电芯、电池模组或者电池包进行研究，通过实验手段获取相关电芯参数都是不可逾越的一环。

目前，关于锂电池软包的比热容测试实验相关方案一般分为两大类，一类采用专门设计的绝热装置或价格昂贵的加速绝热量热仪进行电芯软包比热容测试，另一类采用电芯生热相关理论公式计算产热以进行复杂的电芯比热容测量实验。且目前没有一个相关方案给出包含电芯比热容实验相应的实验数据筛选、比热容计算、及相关结果偏差修正的锂离子电芯实验测试办法，以保证在固定工况下电芯比热容实验结果具有较高的可重复性和精确度。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种结构简单、成本低、测试误差较小的电芯比热容测试系统；

本发明的另一个目的在于提出一种方法简单、成本低、测试误差较小的电芯比热容测试方法。

为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：

一种电芯比热容测试系统，包括加热件、待测试电芯、石棉和测温装置；所述待测试电芯设置于所述加热件外周，所述石棉设置于所述待测试电芯外周，所述测温装置的温度探头置于所述待测试电芯的外表面，所述待测试电芯为锂离子软包电芯或钢壳电芯。

进一步地，所述加热件、所述待测试电芯和所述石棉置于可密闭的箱体中。

进一步地，所述测温装置为热电偶。

进一步地，所述热电偶的数量为多个。

进一步地，所述多个热电偶的多个温度探头均匀分布于所述待测试电芯外周。

进一步地，所述加热件通过导线与置于所述箱体外的电源连接；所述热电偶通过热电偶线与置于所述箱体外的测温采集设备连接。

进一步地，所述加热件为电阻式加热片。

进一步地，所述加热件为加热片，所述待测试电芯的数量为两块，两块相同的所述待测试电芯夹住所述加热片。

进一步地，石棉均匀地包覆于待测试电芯外周。

进一步地，所述箱体置于测试室内，所述检测室内设置有温度调控装置。

另一方面，本发明采用以下技术方案：

一种电芯比热容测试方法，

将待测试电芯设置于加热件外周，将石棉设置于所述待测试电芯外周；

所述加热件对所述待测试电芯加热预设时间；

选定所述待测试电芯在加热段内温升速率稳定的时间区间，并将温升速率稳定的时间区间分成多个指定时间段，采集各个指定时间段的起始测试温度T_起和终止测试温度T_终；

计算所述加热件在各个指定时间段内对所述待测试电芯的加热量Q；

计算在各个指定时间段下待测软包电芯的比热容C，C＝Q/m/(T_终-T_起)，其中m为待测试电芯的质量，再求取所有指定时间段内热容C的平均值。

进一步地，所述加热件、所述待测试电芯和所述石棉置于可密闭的箱体中。

进一步地，所述温升速率稳定的时间区间是指该区间内的任一时间点的待测试电芯的温升速率与加热段待测电芯的平均温升速率值相差正负5％以内。

进一步地，选取选取待测试电芯的温升速率稳定的时间区间内的多个指定时间段，分别计算所述待测试电芯在多个指定时间段内的比热容，计算所述待测试电芯在多个指定时间段内的比热容的平均值、并以此平均值作为所述待测试电芯的比热容。

进一步地，以与所述待测试电芯相同的比热容测试方法来测试比热容已知的对照金属板的比热容，计算测试得到的对照金属板的比热容相对于对照金属板的实际比热容的偏差、并以该偏差作为实验偏差，以实验偏差修正实验所得的待测试电芯的比热容。

进一步地，测试对照金属板在第一温升速率时的第一实验偏差、以及对照金属板在第二温升速率时的第二实验偏差，其中第一温升速率小于待测试电芯的温升速率，且与加热段的待测试电芯平均温升速率相差80％以内，第二温升速率大于待测试电芯的温升速率，且与加热段的待测试电芯平均温升速率相差80％以内，以第一实验偏差与第二实验偏差的平均值作为实验偏差。

进一步地，所述对照金属板为铜板或铁板。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的电芯比热容测试系统结构简单、操作方便、测试结果的精确度较高，能够在企业或高校无加速绝热量热仪等相关绝热设备前提下、对待测试电芯的比热容进行测量、适用范围广。

本发明提供的电芯比热容测试方法操作方便、测试结果的精确度较高，并通过对照金属板的方法对待测试电芯比热容测试结果进行修正、实验误差较小；能够在企业或高校无加速绝热量热仪等相关绝热设备前提下，对待测试电芯的比热容进行测量，适用范围广。

附图说明

图1所示为优选实施例一提供的电芯比热容测试系统的结构示意图；

图2所示为图1中去除箱体后的结构示意图；

图3所示为优选实施例一提供的电芯比热容测试系统的局部结构截面示意图；

图4所示为优选实施例一中待测试电芯的比热容与时间的关系表(纵坐标单位为J/(kg*K)，横坐标单位为min)；

图5所示为优选实施例一中待测试电芯的温升速率与时间的关系表(纵坐标单位为K/min，横坐标单位为min)。

图中：

1、加热件；2、待测试电芯；3、石棉；4、箱体。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

优选实施例一：

本实施例提供了一种电芯比热容测试系统，如图1至图3所示，其包括加热件、待测试电芯、石棉和测温装置；待测试电芯设置于加热件外周，石棉设置于待测试电芯外周，测温装置的温度探头置于待测试电芯的外表面，待测试电芯为锂离子软包电芯或钢壳电芯。优选地，待测试电芯2均匀地设置于加热件1外周，例如，待测试电芯2均匀地包覆于加热件1件外周。优选地，石棉3均匀地设置于待测试电芯2外周，例如，石棉3均匀地包覆于待测试电芯2外周。

本实施例中，将待测试电芯2设置于加热件1外周，石棉3设置于待测试电芯2外周，石棉3可尽量避免加热件1产生热量的散失，通过计算加热件1产生的热量与待测试电芯2的质量、待测试电芯2测试的温度变化的值来求取待测试电芯2的比热容。结构简单、成本低，测试结果的误差相对较小。

本实施例中，为了进一步避免热量散失、提高测试结构的准确性，优选地，加热件1、待测试电芯2和石棉3置于可密闭的箱体4中。箱体4的材质没有具体限制，但优选为导热性较差的材质，例如纸箱。箱体4可尽量减少外界空气对流对实验的影响。

箱体4优选为设置于有温度调控装置的检测室内，以尽量保证箱体4内的温度波动较小。例如，将箱体4置于设置有空调的室内。

加热件1优选但不局限为电阻式加热片。加热件1的数量可以根据具体需要进行设置。加热件1的材质没有具体限制，可以对待测试电芯2进行加热即可，例如可以为聚酰亚胺加热件。

待测试电芯2的数量没有具体限制，可以设置于加热件1外周以尽量避免热量散失即可。为了便于设置于加热件1外周，优选地，加热件1为加热片，待测试电芯2的数量为两块，两块相同的待测试电芯2夹住加热片1。

石棉3的数量没有具体限制，可以设置于待测试电芯2外周以尽量避免热量散失即可。优选地，石棉3均匀地包覆于待测试电芯2外周。

测温装置优选为热电偶，热电偶的数量没有具体限制，可根据需要进行设置，但优选为多个(本实施例中，多个指至少两个)。热电偶的温度探头可粘贴于待测试电芯2的外表面。优选地，多个温度探头均匀分布于待测试电芯2外表面。加热件1通过导线与置于箱体4外的电源连接；热电偶通过热电偶线与置于箱体4外的测温采集设备连接。

本实施例中，加热件1和测温装置可分别通过导线与置于箱体4外的电源连接。

本实施例中，还可以包括安捷伦测试仪，安捷伦测试仪分别与热电偶和控制器连接。安捷伦测试仪控制热电偶工作，并将热电偶测量结果传输至控制器中。

本实施例提供的电芯比热容测试系统结构简单、操作方便、测试结果的精确度较高，能够在企业或高校无加速绝热量热仪等相关绝热设备前提下、对待测试电芯2的比热容进行测量、适用范围广。

本实施例还提供了一种基于上述电芯比热容测试系统的电芯比热容测试方法，该方法主要但不局限用作锂离子软包电芯、钢壳电芯的比热容的测试，也可用作其他适当场合。本实施例电芯比热容测试方法为：

将待测试电芯2设置于加热件1外周，将石棉3设置于待测试电芯2外周；

加热件1对待测试电芯2加热预设时间，预设时间根据不同的电芯来定义，如由于寿命和安全性关系，电芯温度最好不超过60摄氏度，此时加热预设时间为加热电芯从室温至小于等于60摄氏度以内的时间；

根据加热过程中待测试电芯2的温升速率，选定待测试电芯2在加热段内温升速率稳定的时间区间，并将温升速率稳定的时间区间分成多个指定时间段，采集各个指定时间段的起始测试温度T_起和终止测试温度T_终；

计算加热件1在各个指定时间段内对待测试电芯2的加热量Q；

计算待测试电芯2在各个指定时间段的比热容C，再求待测试电芯2在所有时间段的比热容C的平均值，其中C＝Q/m/(T_终-T_起)，其中m为待测试电芯2的质量，C、Q、T_起和T_终均为同一指定时间段内的参数。

本实施例电芯比热容测试方法中，为了进一步避免热量散失、提高测试结果的准确性，加热件1、待测试电芯2和石棉3置于可密闭的箱体4中。箱体4的材质没有具体限制，但优选为导热性较差的材质，例如纸箱。箱体4可尽量减少外界空气对流对实验的影响。

箱体4优选为设置于有温度调控装置的检测室内，以尽量保证密闭箱体4内的温度波动较小。例如，将箱体4置于设置有空调的室内。

本实施例电芯比热容测试方法中，加热件1优选但不局限为电阻式加热片。加热件1为电阻式加热片时，可以根据加热件1的电阻以及施加于电阻上的电压来计算加热件1在指定时间段内对待测试电芯2的加热量Q。加热件1的电阻通常为已知值，也可以由万用表测试获得。施加于电阻上的电压通常为已知值，也为了提高测试结果的准确性，也可以由电压表测试获得。

待测试电芯2的数量没有具体限制，可以设置于加热件1外周以尽量避免热量散失即可。为了便于设置于加热件1外周，优选地，加热件1为加热片，待测试电芯2的数量为两块，两块相同的待测试电芯2夹住加热片1。石棉3的数量没有具体限制，可以设置于待测试电芯2外周以尽量避免热量散失即可。优选地，石棉3均匀地包覆于待测试电芯2外周。

测温装置优选为热电偶，热电偶的数量没有具体限制，可根据需要进行设置，但优选为多个(本实施例中，多个指至少两个)。热电偶的温度探头可粘贴于待测试电芯2的外表面。当热电偶的数量为多个时，采集的待测试电芯2的起始测试温度和终止测试温度均为各个热电偶测量结果的平均值。多个热电偶的温度探头均匀分布于待测试电芯2外表面。加热件1通过导线与置于箱体4外的电源连接；热电偶通过热电偶线与置于箱体4外的测温采集设备连接。

本实施例电芯比热容测试方法中包括实验数据筛选办法，以保证实验数据进行电芯比热容计算的可重复性和精确性。

具体地，首先选取加热段内待测试电芯2的温升速率稳定的时间区间，温升速率稳定的时间区间是指该区间内的任一时间点的待测试电芯的温升速率与加热段待测电芯的平均温升速率值相差正负5％以内。

选取待测试电芯2的温升速率稳定的时间区间内的多个指定时间段，分别计算待测试电芯2在各个指定时间段内的比热容C，计算待测试电芯2在各个指定时间段内的比热容C的平均值、并以此平均值作为待测试电芯2的比热容，可以确定实验结果的可重复性和确保误差在一定的范围内。

例如，如图5所示，加热段的时长为10min，即7min-17.5min，17.5min-19min已停止加热片加热。

为选择指定的时间区间，需要首先计算加热段待测电芯2的平均温升速率。如图5所示，由于在刚开始加热时，温升速率快速上升，变化较大，作为差点过滤；因此选取9.5min-17.5min间17个温升速率点进行平均，求得加热过程中平均温升速率为4.57K/min。

选取10min-12min作为指定的温升速率稳定的时间区间，如图5所示，该区间内五个时间点10，10.5，11，11.5，12min温升速率分别是4.70，4.77，4.74，4.73，4.79K/min，与加热过程中的平均温升速率偏差皆在5％以内。

之后在10-12min这一时间区间选取若干指定时间段，指定时间段的时长以及指定时间段的数量可根据具体需要进行设置；本实施例中指定时间段的时长为0.5min，共选取连续的四个指定时间段计算待测试电芯2的比热容，即每0.5min进行一次待测试电芯2比热容计算，然后把四个指定时间段内的待测试电芯2比热容数据进行平均。

通常，计算平均温升速率时，如上例所示，会提前过滤掉加热前段的数据进行计算，这是由于在加热前端，加热件1开始加热，温度检测装置热电偶连接到电芯外表面，而加热片处于两电芯中间，电芯导热率有限。因而在加热初始段，检测的温升并不明显，不够稳定，只是逐步升高，因此该数值不能正确代表电芯处于加热作用下的温升速率。

本例中优选的时间区间为10min-12min，这是因为在温升速率稳定时间区间(10min-17.5min)的前期，石棉的绝热性能最好，其数据用来计算比热容也更加精准。这是由于随着时间的推移，待测试电芯2温度越来越高，而外界环境温度不变，透过石棉3的散热量不断增加，因此加热件1散失的热量也在增加，电芯温升减小，因此如图5，10min-17.5min，电芯温升速率逐步降低。从图4看，更加明显，在温升速率稳定时间区间(10min-17.5min)的前期(10min-12min)与后期(15.5min-17.5min)采用本发明中计算比热容办法所得的比热容数据相差较大。

本实例电芯比热容测试方法中，为了进一步对上述计算所得的待测试电芯2的比热容进行修正，以提高实验结果的准确性。采用与待测试电芯2相同的比热容测试方法来测试比热容已知的对照金属板的比热容；之后，计算测试得到的对照金属板的比热容相对于对照金属板的实际比热容的偏差；并以该偏差作为实验偏差，以实验偏差修正实验所得的待测试电芯2的比热容。

以与待测试电芯2相同的测试方法，是指在对照金属板的比热容测试中与在待测试电芯2的比热容测试中所采用的加热件1、石棉3、测温装置和箱体4等设置条件均相同，不同之处在于待测试的元件由待测试电芯2换作了对照金属板，加热件1对金属板的加热速率应与其对待测电芯2的加热速率的相对偏差处于80％以内。对照金属板为铜板或铁板。

本实施例电芯比热容测试方法中，为了便于修正，测试对照金属板在第一温升速率时的第一实验偏差、以及对照金属板在第二温升速率时的第二实验偏差，其中第一温升速率小于待测试电芯2的温升速率，且与加热段的待测试电芯平均温升速率相差80％以内，第二温升速率大于待测试电芯2的温升速率，且与加热段的待测试电芯平均温升速率相差80％以内，以第一实验偏差与第二实验偏差的平均值作为实验偏差。

例如，以铜板作为对照金属板，铜的实际比热容为390J/(kg*K)，测试铜板在温升速率为8K/min时，与本例中加热段的待测试电芯平均温升速率偏差75％，所测量比热容为437.64J/(kg*K)，相对于铜板的实际比热容的偏差为12.21％；测试铜板在温升速率为1.4K/min时，与本例中加热段的待测试电芯平均温升速率偏差69％，所测量比热容为424.58J/(kg*K)，相对于铜板的实际比热容的偏差为8.87％。

这也验证了本实施例的电芯比热容测试办法，针对温升速率在1.4-8K/min的待测材料，能够保证实验结果误差在10％左右(这是因为加热件1的热量并没有完全传递给了待测试电芯2，其中有部分能量散失掉了，因此所求的比热容偏大)。

以实验偏差修正实验计算所得的待测试电芯2的比热容时，在实验计算所得待测试电芯2的比热容的基础上再缩小上述实验偏差，例如10％，则为修正后的待测试电芯2的比热容。

本实施例提供的电芯比热容测试方法，对待测试电芯2的比热容进行测试、并通过对照金属板的方法对测试结果进行修正，结构简单、操作方便、测试结果的精确度较高、实验误差较小，能够在企业或高校无加速绝热量热仪等相关绝热设备前提下，对待测试电芯2的比热容进行测量，适用范围广。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电芯比热容测试方法，其特征在于，

将待测试电芯设置于加热件外周，将石棉设置于所述待测试电芯外周，将测温装置的温度探头置于所述待测试电芯的外表面，所述加热件、所述待测试电芯、所述石棉和所述测温装置置于可密闭的箱体中；

所述加热件对所述待测试电芯加热预设时间；

选定所述待测试电芯在加热段内温升速率稳定的时间区间，并将温升速率稳定的时间区间分成多个指定时间段，采集各个指定时间段的起始测试温度T_起和终止测试温度T_终；

计算所述加热件在各个指定时间段内对所述待测试电芯的加热量Q；

计算在各个指定时间段下待测软包电芯的比热容C，C＝Q/m/(T_终-T_起)，其中m为待测试电芯的质量，再求取所有指定时间段内比热容C的平均值；

以与所述待测试电芯相同的比热容测试方法来测试比热容已知的对照金属板的比热容，计算测试得到的对照金属板的比热容相对于对照金属板的实际比热容的偏差、并以该偏差作为实验偏差，以实验偏差修正实验所得的待测试电芯的比热容；

测试对照金属板在第一温升速率时的第一实验偏差、以及对照金属板在第二温升速率时的第二实验偏差，其中第一温升速率小于待测试电芯的温升速率，且与加热段的待测试电芯平均温升速率相差80％以内，第二温升速率大于待测试电芯的温升速率，且与加热段的待测试电芯平均温升速率相差80％以内，以第一实验偏差与第二实验偏差的平均值作为实验偏差。

2.根据权利要求1所述的电芯比热容测试方法，其特征在于，所述温升速率稳定的时间区间是指该区间内的任一时间点的待测试电芯的温升速率与加热段待测电芯的温升速率的平均值相差正负5％以内。

3.根据权利要求2所述的电芯比热容测试方法，其特征在于，选取待测试电芯的温升速率稳定的时间区间内的多个指定时间段，分别计算所述待测试电芯在多个指定时间段内的比热容，计算所述待测试电芯在多个指定时间段内的比热容的平均值、并以此平均值作为所述待测试电芯的比热容。

4.根据权利要求1所述的电芯比热容测试方法，其特征在于，所述对照金属板为铜板或铁板。

5.根据权利要求1所述的电芯比热容测试方法，其特征在于，所述待测试电芯为锂离子软包电芯或钢壳电芯，所述加热件为加热片，所述待测试电芯的数量为两块，两块相同的所述待测试电芯夹住所述加热片。