CN108170914A - 圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，具体步骤为首先搭建实验装置，然后使用外部热源按一定的功率加热电池，并测量该电池上多点不同的瞬时温度变化，其次，在仿真软件中建立包含该电池不同方向上导热系数参数以及比热容参数在内的传热模型，并计算得到各热电偶测量点处温度变化的数值解，最后拟合实测温度值和仿真计算值，并获得该电池热物性参数的具体数据。本发明的有益效果：本发明可以考虑真实电池中的湿式结构即含有电解液，以及不同结构层间的接触热阻，实现原位且准确地获得电池导热系数和比热容等重要的热物性参数。

Description

圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体来说，涉及一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法。

背景技术

在企业生产的试错实践中，动力电池的结构演化出了多种典型的封装形式，不同构型之间电池的热参数特性差异很大，需区别对待。其中圆柱卷绕型是一种重要的动力电池构型，如松下生产供给Tesla公司的Model系列电动车使用的如18650、21700型电池，其结构是由长度方向很长的正极片、隔膜和负极片堆叠卷绕而成。圆柱电池的优点包括生产工艺成熟，产品良率好高，规格型号统一等；但同时缺点也比较明显，其电芯内部导热性较差，在大电流充放电时，电芯由于产热高，散热慢，极易引发热量积累和热失控的危险。故需深入研究电池内部实时的产热、传热和散热过程，找寻和分析电池出现温升过高，温差过大等热问题，进而优化电池结构，改善电池热特性。

导热系数和比热容是锂离子电池重要热物性参数，与电池内部传热、散热过程有关，并影响电池在充放电过程中的温度分布状况。然而，由于圆柱型锂离子动力电池是由多层热物性差异较大的物质层(集流体、活性涂层和隔膜)堆叠后卷绕而成，各层之间均存在一定的接触热阻，这一接触热阻形成了厚度极小但温度突变明显的一层界面，对整体热物性尤其是导热系数存在显著影响。另一方面，该型电池的导热系数具有显著的各向异性，其内部不同的物质层均具有不同的材质与厚度，这些材质既包括Al、Cu等金属，也包括PP或PE等有机物，还包括多孔结构的活性材料混合物。其中，金属层的导热系数明显高于活性物质层或有机层。因此，该型电池具有层内(轴向和角向)和层间(径向)三个方向不同的导热系数。而传统的以各层结构的热物性参数串并联计算获得整体参数的方法并不适用，因此需开发相应的热参数测量实验，以准确求得其取值，进行分析和改进电池的热性能。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，能够克服现有技术的上述不足。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，包括以下步骤：

S1：首先搭建实验装置；

S2：使用外部热源按一定的功率加热电池，并测量该电池上多点不同的瞬时温度变化；

S3：在仿真软件中建立包含该电池不同方向上导热系数参数以及比热容参数在内的传热模型，并计算得到各热电偶测量点处温度变化的数值解，具体步骤为：

S3.1：在仿真软件中搭建简化的18650电池二维轴对称传热模型，该传热模型中包含该电池不同方向上的导热系数以及热参数，其外壳体边界设置为绝热边界，加热片位置设置为热流边界；

S3.2：利用传统的串并联法计算电芯热参数的初始值；

S3.3：计算该18650电池热模型对外热源加热的温度响应；

S4：拟合实测温度值和仿真计算值，获得该电池热物性参数的具体数据。

进一步的，在步骤S1中，所述的搭建实验装置的具体步骤为：

S1.1：在制备一款18650圆柱卷绕式电池的过程中，于卷芯的一侧外部中间位置处贴附一块圆形陶瓷加热片；在加热片相对应的卷芯另一侧内部中间位置沿轴向方向每隔一定距离布置一个K型热电偶，共布置4个热电偶；

S1.2：连接加热片与外接恒功率源，然后将卷芯放入壳体中，并注入电解液，以保证与电池的真实结构和状态相一致；

S1.3：将该实验装置放在一个绝热环境中备用。

进一步的，在步骤S2中，所述的使用外部热源按一定的功率加热电池，并测量该电池上多点不同的瞬时温度变化的具体步骤为：

S2.1：调节加热片功率为10W，对该实验样品电池进行加热；

S2.2：记录上述4个热电偶位置处的温度随时间的变化，记录时间间隔取150秒。

进一步的，在步骤S3.1中，所述的二维热传导方程为：

式中，ρ为密度(kg/m3)，Cp为比热容(J·kg-1·K-1)，kra为径向导热系数(W/m·K)，kax为轴向导热系数(W/m·K)，kan为角向导热系数(W/m·K)。

进一步的，在步骤S3.1中，所述的热参数包括导热系数和比热容。

进一步的，在步骤S3.2中，所述的利用传统的串并联法计算电芯热参数的初始值的计算公式为：

kT_径向＝Lcell/(L_正极/kT_正极+L_负极/kT_负极+L_正集流体/kT_正集流体+L_负集流体/kT_负集流体+L_隔膜/kT_隔膜) A，

kT_轴/角向＝(kT_正极·L_正极+kT_负极·L_负极+kT_正集流体·L_正集流体+kT_负集流体·L_负集流体+kT_隔膜·L_隔膜)/L_电池 B，

Cp_电池＝(Cp_正极·L_正极+Cp_负极·L_负极+Cp_正集流体·L_正集流体+Cp_负集流体·L_负集流+Cp_隔膜·L_隔膜)/L_电池 C，

式A为径向导热系数的计算公式，式B为轴向和角向导热系数的计算公式，式C为电池整体比热容的计算公式。

进一步的，在步骤S4中，所述的拟合实测温度值和仿真计算值，获得该电池热物性参数的具体数据的具体步骤包括：

S4.1：将通过实验测得的上述不同热电偶位置处的温度变化曲线与传热模型计算得到的对应位置处的数值温度解进行拟合；

S4.2：不断调整模型中的热参数，最终使实测值与仿真值拟合度的误差最小。

本发明的有益效果：本发明提供的一种对圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，与现有的以各层结构的热物性参数通过串并联计算获得整体参数的方法，其优点在于可以考虑真实电池中的湿式结构即含有电解液，以及不同结构层间的接触热阻，实现原位且准确地获得电池导热系数和比热容等重要的热物性参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的实验装置结构示意图；

图2是根据本发明实施例所述的传热模型结构示意图；

图3是根据本发明实施例所述的4个热电偶处的实测温度变化数据与仿真模型中对应位置处温度变化数据的拟合情况；

图中：

1、卷芯；2、加热片；3、K型热电偶；4、壳体；5、热流边界；6、电芯；7、中心针。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-3所示，根据本发明实施例所述的一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，包括以下步骤：

S1：首先搭建实验装置；

S2：使用外部热源按一定的功率加热电池，并测量该电池上多点不同的瞬时温度变化；

S3：在仿真软件中建立包含该电池不同方向上导热系数参数以及比热容参数在内的传热模型，并计算得到各热电偶测量点处温度变化的数值解，具体步骤为：

S3.1：在仿真软件中搭建简化的18650电池二维轴对称传热模型，该传热模型中包含该电池不同方向上的导热系数以及热参数，其外壳体边界设置为绝热边界，加热片位置设置为热流边界；

S3.2：利用传统的串并联法计算电芯热参数的初始值；

S3.3：计算该18650电池热模型对外热源加热的温度响应；

S4：拟合实测温度值和仿真计算值，获得该电池热物性参数的具体数据。

在一具体实施例中，在步骤S1中，所述的搭建实验装置的具体步骤为：

S1.1：在制备一款18650圆柱卷绕式电池的过程中，于卷芯的一侧外部中间位置处贴附一块圆形陶瓷加热片；在加热片相对应的卷芯另一侧内部中间位置沿轴向方向每隔一定距离布置一个K型热电偶，共布置4个热电偶；

S1.2：连接加热片与外接恒功率源，然后将卷芯放入壳体中，并注入电解液，以保证与电池的真实结构和状态相一致；

S1.3：将该实验装置放在一个绝热环境中备用。

在一具体实施例中，在步骤S2中，所述的使用外部热源按一定的功率加热电池，并测量该电池上多点不同的瞬时温度变化的具体步骤为：

S2.1：调节加热片功率为10W，对该实验样品电池进行加热；

S2.2：记录上述4个热电偶位置处的温度随时间的变化，记录时间间隔取150秒。

在一具体实施例中，在步骤S3.1中，所述的二维热传导方程为：

式中，ρ为密度(kg/m3)，Cp为比热容(J·kg-1·K-1)，kra为径向导热系数(W/m·K)，kax为轴向导热系数(W/m·K)，kan为角向导热系数(W/m·K)。

在一具体实施例中，在步骤S3.1中，所述的热参数包括导热系数和比热容。

在一具体实施例中，在步骤S3.2中，所述的利用传统的串并联法计算电芯热参数的初始值的计算公式为：

kT_径向＝Lcell/(L_正极/kT_正极+L_负极/kT_负极+L_正集流体/kT_正集流体+L_负集流体/kT_负集流体+L_隔膜/kT_隔膜) A，

kT_轴/角向＝(kT_正极·L_正极+kT_负极·L_负极+kT_正集流体·L_正集流体+kT_负集流体·L_负集流体+kT_隔膜·L_隔膜)/L_电池 B，

Cp_电池＝(Cp_正极·L_正极+Cp_负极·L_负极+Cp_正集流体·L_正集流体+Cp_负集流体·L_负集流+Cp_隔膜·L_隔膜)/L_电池 C，

式A为径向导热系数的计算公式，式B为轴向和角向导热系数的计算公式，式C为电池整体比热容的计算公式。

在一具体实施例中，在步骤S4中，所述的拟合实测温度值和仿真计算值，获得该电池热物性参数的具体数据的具体步骤包括：

S4.1：将通过实验测得的上述不同热电偶位置处的温度变化曲线与传热模型计算得到的对应位置处的数值温度解进行拟合；

S4.2：不断调整模型中的热参数，最终使实测值与仿真值拟合度的误差最小。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，本发明首先搭建实验装置：具体为首先在制备一款18650(直径18mm，高65mm)圆柱卷绕式电池的过程中，于卷芯1的一侧外部中间位置处贴附一块圆形陶瓷加热片2(直径6mm，厚度0.5mm)，加热片与卷芯之间涂抹导热硅脂以确保紧密接触；在加热片相对应的卷芯另一侧内部中间位置沿轴向方向每隔8mm布置一个K型热电偶3，共布置4个热电偶，具体装置示意图如图1所示；其次连接加热片与外接恒功率源，然后将卷芯放入壳体中，并注入适宜的电解液，以保证尽量与电池的真实结构和状态(湿式结构：实际电池结构内普遍封装有电解液，其相多以液态为主，该电解液的存在对电芯导热系数也有一定的影响)相一致；最后将该实验装置放在一个绝热环境中备用，该环境可以为一个近似抽真空的箱体，以减少空气对流散热的影响。

然后，使用外部热源按一定的功率加热电池，并测量该电池上多点不同的瞬时温度变化；具体为首先调节加热片功率约为10W，对该实验样品电池进行加热；然后记录上述4个热电偶位置处的温度随时间的变化，记录时间间隔取150秒左右。

其次，在仿真软件中建立描述上述用加热片加热该电池的传热模型，并计算得到各热电偶测量点处温度变化的数值解，具体过程为首先在COMSOL中搭建简化的18650电池二维轴对称传热模型，如附图2所示，其二维热传导方程为：

式中，ρ为密度(kg/m3)，Cp为比热容(J·kg-1·K-1)，kra为径向导热系数(W/m·K)，kax为轴向导热系数(W/m·K)，kan为角向导热系数(W/m·K)；该传热模型中包含该电池不同方向上导热系数以及比热容在内的热物性参数，电芯6的外部壳体4的边界设置为绝热边界，加热片位置设置为热流边界5，该热流边界的热流量与加热片的加热功率相同，均为10W m^-2，电芯的右下方设有中心针7；

其次，利用传统的串并联法计算电芯热参数(导热系数和比热容)，作为热模型输入的初始值；公式如下：

kT_径向＝Lcell/(L_正极/kT_正极+L_负极/kT_负极+L_正集流体/kT_正集流体+L_负集流体/kT_负集流体+L_隔膜/kT_隔膜) A，

kT_轴/角向＝(kT_正极·L_正极+kT_负极·L_负极+kT_正集流体·L_正集流体+kT_负集流体·L_负集流体+kT_隔膜·L_隔膜)/L_电池 B，

Cp_电池＝(Cp_正极·L_正极+Cp_负极·L_负极+Cp_正集流体·L_正集流体+Cp_负集流体·L_负集流+Cp_隔膜·L_隔膜)/L_电池 C，

式A为径向导热系数的计算公式，式B为轴向和角向导热系数的计算公式，式C为电池整体比热容的计算公式；其中，L_i为电芯单元中各部件的长度，k_i为各部件材料的导热系数，Cp_i为各部件材料的导热系数一，根据此串并联方法计算得到该18650电池的kT_径向为1.824W/m·K，kT_轴/角向为47W/m·K，Cp_电池为1095J·kg-1·K-1；

最后计算该18650电池热模型对外热源加热下的温度响应，并记录模型电池中4个热电偶对应的位置处的温度变化值。

最后，拟合实测温度值和仿真计算值，获得该电池热物性参数的具体值；首先将通过实验测得的上述不同热电偶位置处的温度变化曲线与传热模型计算得到的对应位置处的数值温度解进行拟合；然后不断调整模型中的热参数(三个方向上的导热系数值、比热容值)，最终使实测值与仿真值拟合度较好，如附图3所示，当kT_径向为1.2W/m·K，kT_轴向为34.5W/m·K，kT_角向为27.5W/m·K，Cp_电池为972.63J·kg-1·K-1时，两者误差较小，其中，图中的1^#、2^#、3^#和4^#为4各不同位置的K型热电偶。

综上所述，本发明可以考虑真实电池中的湿式结构即含有电解液，以及不同结构层间的接触热阻，实现原位且准确地获得电池导热系数和比热容等重要的热物性参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：首先搭建实验装置；

S2：使用外部热源按一定的功率加热电池，并测量该电池上多点不同的瞬时温度变化；

S3：在仿真软件中建立包含该电池不同方向上导热系数参数以及比热容参数在内的传热模型，并计算得到各热电偶测量点处温度变化的数值解，具体步骤为：

S3.1：在仿真软件中搭建简化的18650电池二维轴对称传热模型，该传热模型中包含该电池不同方向上的导热系数以及热参数，其外壳体边界设置为绝热边界，加热片位置设置为热流边界；

S3.2：利用传统的串并联法计算电芯热参数的初始值；

S3.3：计算该18650电池热模型对外热源加热的温度响应；

S4：拟合实测温度值和仿真计算值，获得该电池热物性参数的具体数据。

2.根据权利要求1所述的一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，其特征在于，在步骤S1中，所述的搭建实验装置的具体步骤为：

S1.1：在制备一款18650圆柱卷绕式电池的过程中，于卷芯的一侧外部中间位置处贴附一块圆形陶瓷加热片；在加热片相对应的卷芯另一侧内部中间位置沿轴向方向每隔一定距离布置一个K型热电偶，共布置4个热电偶；

S1.2：连接加热片与外接恒功率源，然后将卷芯放入壳体中，并注入电解液，以保证与电池的真实结构和状态相一致；

S1.3：将该实验装置放在一个绝热环境中备用。

3.根据权利要求1所述的一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，其特征在于，在步骤S2中，所述的使用外部热源按一定的功率加热电池，并测量该电池上多点不同的瞬时温度变化的具体步骤为：

S2.1：调节加热片功率为10W，对该实验样品电池进行加热；

S2.2：记录上述4个热电偶位置处的温度随时间的变化，记录时间间隔取150秒。

4.根据权利要求1所述的一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，其特征在于，在步骤S3.1中，所述的二维热传导方程为：

式中，ρ为密度（kg/m3），Cp为比热容（J·kg -1·K-1），kra为径向导热系数（W/m·K），kax为轴向导热系数（W/m·K），kan为角向导热系数（W/m·K）。

5.根据权利要求4所述的一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，其特征在于，在步骤S3.1中，所述的热参数包括导热系数和比热容。

6.根据权利要求1所述的一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，其特征在于，在步骤S3.2中，所述的利用传统的串并联法计算电芯热参数的初始值的计算公式为：

kT_径向=Lcell/（L_正极/kT_正极+L_负极/kT_负极+L_正集流体/kT_正集流体+L_负集流体/kT_负集流体+L_隔膜/kT_隔膜） A，

kT_轴/角向=（kT_正极·L_正极+kT_负极·L_负极+kT_正集流体·L_正集流体+kT_负集流体·L_负集流体+kT_隔膜·L_隔膜）/L_电池 B，

Cp_电池=（Cp_正极·L_正极+Cp_负极·L_负极+Cp_正集流体·L_正集流体+Cp_负集流体·L_负集流+Cp_隔膜·L_隔膜）/L_电池 C，

式A为径向导热系数的计算公式，式B为轴向和角向导热系数的计算公式，式C为电池整体比热容的计算公式。

7.根据权利要求1所述的一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，其特征在于，在步骤S4中，所述的拟合实测温度值和仿真计算值，获得该电池热物性参数的具体数据的具体步骤包括：

S4.1：将通过实验测得的上述不同热电偶位置处的温度变化曲线与传热模型计算得到的对应位置处的数值温度解进行拟合；

S4.2：不断调整模型中的热参数，最终使实测值与仿真值拟合度的误差最小。