CN108681619B - 方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法 - Google Patents
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Abstract
方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法，涉及锂离子电池热物性参数辨识领域。本发明是为了解决现有的方形软包锂离子电池在充电加热时，电化学参数辨识的误差在热参数上进行叠加，无法准确、可靠的的得到热物性参数的问题。将方形加热片置于两块同种型号的方形软包锂离子电池中间置于绝热环境，使方形软包锂离子电池内部沿厚度方向进行传热；根据加热片的加热功率和两块方形软包锂离子电池的温度随加热时间变化关系获得CP；根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池沿厚度方向进行传热的过程获得kthr；用圆形加热片将方形加热片替换掉，使方形软包锂离子电池内部沿抛物线方向传热获得kin。用于获得方形软包锂离子电池热物性参数。
Description
技术领域
本发明涉及方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法，属于锂离子电池热物性参数辨识领域。
背景技术
锂离子电池作为新型的高能化学电源，具有比能量高、湿贮存寿命长、放电电压平坦、充放电效率高、环境友好等一系列特性，这使得锂离子电池在不同应用场合都得到了广泛的关注。
然而，锂离子电池在实际应用过程中热安全问题却十分突出。原因在于锂离子电池在充放电时，电池内阻发热、电极极化发热及化学反应放热等会使电池温度迅速升高，电池温度的升高会进一步促使反应的加剧，从而形成产热与温升的正反馈。尤其是在密闭空间的电池组大电流长时间充放电时，内部温度上升更为明显。当温度超过一定限制时，电池可能会出现膨胀、泄露、乃至爆炸等危险。此外，当电池温度过低时，电池的可用容量将迅速发生衰减，而在过低温度下(如低于0℃)对电池进行充电，则可能引发瞬间的电压过充现象，造成内部析锂进而引发短路。因此，对锂离子电池进行热分析和热设计是十分重要的。
热耦合仿真是研究锂离子电池热问题的重要手段，利用高精度的热模型可以低成本高效率地获取电池的热特性，进行电池正向设计等工作。而对锂离子电池进行热耦合仿真时，其中一个影响仿真精确程度的重要因素就是电池热物性参数辨识的准确性。
Stephan Kosch等人针对一款40Ah的单极耳层叠式软包电池按各组分比例计算得到整个电池的热参数。Zhang等人针对一款20Ah单极耳层叠式锂离子软包电池提出了一套实验与数值解优化结合的方法，实现了对比热容和各向异性热参数的同时进行原位估算。
对于方形软包锂离子电池热物性参数的辨识，目前普遍采用的方法都未将锂离子电池的充放电过程与其热物性参数的获取过程解耦，以及各热物性参数之间的相互解耦。这就给热物性参数的辨识带来了一定的困难和不准确性。
发明内容
本发明是为了解决现有的方形软包锂离子电池在充电加热时，电化学参数辨识的误差在热参数上进行叠加，无法准确、可靠的的得到热物性参数问题，现提供方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法。
方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法，所述包括以下步骤：
步骤一、将方形加热片1置于两块同种型号的方形软包锂离子电池2中间，将方形加热片1和两块方形软包锂离子电池2置于绝热环境下，使方形软包锂离子电池2内部沿厚度方向进行传热；
步骤二、根据加热片的加热功率和两块方形软包锂离子电池2的温度随加热时间变化关系，获得比热容CP；
步骤三、根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池2沿厚度方向进行传热的过程，获得纵向导热系数kthr；
步骤四、用圆形加热片4将步骤一中的方形加热片1替换掉，使方形软包锂离子电池2内部沿抛物线方向传热，根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池2呈抛物线方向进行传热过程，获得横向导热系数kin，从而得到方形软包锂离子电池2热物性参数。
本发明的有益效果为：
本申请采用加热片对方形软包锂离子电池进行加热，为了使温度测量更为精准，需要在绝热的环境条件下进行。本申请采用较好的绝热材料包裹在被加热电池的外面，以此达到绝热的效果。
选取适当加热功率的加热片，对于方形软包锂离子电池来说，在传热建立起来之后，温升会很迅速，在一定的绝热环境下，可以近似认为是理想的绝热环境。
而为了实现方形软包锂离子电池各热物性参数辨识的相互解耦，本申请首先采用了与电池侧面尺寸相一致的方形加热片，忽略边缘效应时可以将传热过程简化成沿电池厚度方向的一维导热过程，相当于屏蔽了横向的导热系数，则可以计算得到纵向的导热系数。用方形加热片对电池加热后，再采用圆形加热片对电池进行加热，以此来求出沿横向的导热系数。
同时，在加热过程中温度测量方面，本申请将加热片置于两片方形软包锂离子电池的中间，实现了对称分布传热模型的建立，然后又在上下两块电池相同位置处分别放置了热电偶，因而在数据处理方面可以尽量避免单一测量所带来的误差，保证了一定的实验测量精度。
最后，在用传热方程以及边界条件求解热物性参数时，由于求解偏微分方程的复杂性，在保证模型精度的前提下，将其处理成二阶常微分方程，使得参数的获取计算变得简单和方便。本申请可以采用不同形状大小的加热片对方形软包锂离子电池在绝热环境条件下进行加热，以此来获得电池热物性参数。通过本申请的方式获得的电池热物性参数可靠、精确。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法的流程图；
图2为使用方形加热片对两块同种型号的方形软包锂离子电池进行加热的结构示意图，图中的箭头表示热流；
图3为使用圆形加热片对两块同种型号的方形软包锂离子电池进行加热的结构示意图；
图4为方形软包锂离子电池中心位置处的温度T随时间t的变化曲线图，附图标记5表示原始数据点，附图标记6表示拟合后曲线；
图5为纵向导热系数随温度点变化的曲线图；
图6为横向导热系数随温度点变化的曲线图；
图7为方形加热片电池中心处温度与实际测量温度的对比图，附图标记6表示仿真温度，附图标记7表示实际测量温度；
图8为图3中两块方形软包锂离子电池中心位置处温度对比图，附图标记8表示仿真温度，附图标记9表示实际测量温度；
图9为图3中两块方形软包锂离子电池靠近中心位置处温度对比图，附图标记10表示仿真温度，附图标记11表示实际测量温度。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法，所述包括以下步骤：
步骤一、将方形加热片1置于两块同种型号的方形软包锂离子电池2中间，将方形加热片1和两块方形软包锂离子电池2置于绝热环境下，使方形软包锂离子电池2内部沿厚度方向进行传热；
步骤二、根据加热片的加热功率和两块方形软包锂离子电池2的温度随加热时间变化关系，获得比热容CP；
步骤三、根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池2沿厚度方向进行传热的过程，获得纵向导热系数kthr；
步骤四、用圆形加热片4将步骤一中的方形加热片1替换掉，使方形软包锂离子电池2内部沿抛物线方向传热，根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池2呈抛物线方向进行传热过程，获得横向导热系数kin，从而得到方形软包锂离子电池2热物性参数。
本实施方式中，方形软包锂离子电池的热物性参数包括定压比热容CP，横向导热系数kin和纵向导热系数kthr。本申请为了实现将方形软包锂离子电池的充放电过程与其热参数的获取过程相互解耦以及实现各热物性参数之间的相互解耦，采用了不同形状大小的加热片对电池加热的方式。
本申请通过采用型号为9772150L的常规磷酸铁锂电池验证基于方形软包锂离子电池热物性参数的辨识方法的可行性和准确性，并给出仿真结果以作对比验证。
根据产品的规格书，可以得到型号为9772150L的常规磷酸铁锂电池的基本产品参数，如下表4-1所示：
表4-19772150L电池基本产品参数
首先进行与电池侧面尺寸相一致的方形加热片的加热实验，加热功率为21.05W，加热时间为5min，绝热材料为脱脂棉和玻璃纤维棉。通过处理实验数据，除去前期温度建立较缓慢的100个点，可以得到温度随时间的变化曲线，如图4所示。从图中可以看出温度T随时间t的变化近似为线性，并得到
的值为0.0427K/s。则由公式2可以得到方形软包电池9772150L定压比热容CP为1071.82J/(kg·K)。再根据表4-1，得到方形软包电池9772150L的定压比热容。于是，通过联立公式6至8，舍去前期温升较缓慢的100个点，即可以得到在不同温度点辨识出来的纵向导热系数kthr，如图5所示，取其平均值，得到纵向导热系数kthr为0.66W/(m·K)。
采用圆形加热片对方形软包电池9772150L进行加热，加热圆片功率为2.81W，加热时间为15min，绝热材料为脱脂棉和玻璃纤维棉。
由公式12，并通过处理数据，舍去前300个温度变化较缓慢的点，则可以得到在不同温度点辨识出来的横向导热系数kin，如下图6所示，取其平均值，得到横向导热系数kin为37.67W/(m·K)。其中，实验时一块电池上两个热电偶距离为3.2cm。
基于COMSOL Multiphysics仿真软件，采用有限元分析法，将辨识出的热物性参数代入所建模型，得出与实验测量相对应的仿真温度。
如图7所示，为方形加热片对电池加热，中心点处温度仿真与实际测量结果对比图。从图中可以看出，仿真温度比实际测量温度略大一些，在误差允许的范围内，可以说明对方形软包锂离子电池热物性参数中定压比热容和纵向导热系数的测量方法是具有可行性和准确性的。
如图8所示，为圆形加热片对电池加热，中心点处温度仿真与实际测量结果对比图。如图9所示，为距中心点3.2cm处电池温度仿真与实际测量结果对比图。从图中可以看出，仿真温度与实际测量温度较为接近，在误差允许的范围内，可以说明对方形软包锂离子电池热物性参数中横向导热系数的测量方法是具有可行性和准确性的。
本申请基于不同形状大小的加热片在绝热环境下对方形软包锂离子电池进行加热，避免采用充放电对电池加热的方法，避开了电化学参数辨识误差在热参数上的叠加，同时实现了各热物性参数辨识的相互解耦，使得方形软包锂离子电池热物性参数的获取变得更为简单和有效。最后通过对方形软包电池9772150L热物性参数的辨识，验证了在一定误差允许范围内，该方法具有较强的可行性和准确度。
具体实施方式二：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法作进一步说明，本实施方式中，步骤一中，使方形软包锂离子电池2内部沿厚度方向进行传热的方式为：
使用方形加热片1对两块同种型号的方形软包锂离子电池2进行加热，方形加热片与方形软包锂离子电池2的接触面尺寸相同。
具体实施方式三：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中，使方形软包锂离子电池2内部沿抛物线方向传热的方式为：
使用圆形加热片4对两块同种型号的方形软包锂离子电池2进行加热，圆形加热片位于两块同种型号的方形软包锂离子电池2的中心位置。
本实施方式中，圆形加热片置于两块同种型号的方形软包锂离子电池中间，并分别在两块电池外壳的中心位置处，在两块同种型号的方形软包锂离子表面的中心位置各放置一个热电偶，在靠近中心位置处各放置一个热电偶，此热电偶放置的位置不能距离边缘较近，否则在绝热环境下边缘效应会影响结果的准确性。然后将整个电池用绝热材料包裹以实现较为理想的绝热环境。
选取适当的加热功率对圆形加热片进行加热，同时记录在一定加热时间内4个热电偶处的温度T。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二所述的方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，根据加热片的加热功率和两块方形软包锂离子电池2的温度随加热时间变化关系，获得比热容CP的具体过程为：
根据比热容公式：
式中，CP为定压比热容，Q为吸收或放出的热量，m为方形软包锂离子电池的质量，△T为温度的变化量，
将公式1等式两边同时除以时间的变化量△t，并考虑该实验为加热片给两块电池同时加热，则公式1整理为：
式中，P为方形加热片的加热功率，
为两块方形软包锂离子电池2中心位置处的温度T随时间t的变化。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池2沿厚度方向进行传热的过程，获得纵向导热系数kthr的具体过程为：
传热模型为：
式中，ρ为电池单体的密度，kin为其横向导热系数，kthr为其纵向导热系数，
由于采用与电池侧面尺寸相一致的方形加热片对方形软包锂离子电池2进行加热，忽略边缘效应时将传热过程简化成沿电池厚度方向的一维导热过程，相当于屏蔽了横向的导热系数，于是，将公式3简化为：
式中，
约等于
将公式4简为二阶常微分方程，积分整理后为：
式中，
C2和C3为常数，
考虑从0到t时刻全部热量用于电池加热，得到方程：
其中，h为方形软包锂离子电池2侧面的厚度，T0为电池的初始平均温度，t为加热时间，
边界y＝h处为绝热环境，得出边界条件方程为：
边界温度已知，则得出边界条件的方程为：
T(y)|y＝h＝Tsurf公式8，
其中，Tsurf为电池表面的温度，
将公式5中的T(y)带入公式6至公式8，然后联立公式6至公式8，得到在不同温度点辨识出来的纵向导热系数kthr，将不同点得出的纵向导热系数取平均，得到纵向导热系数kthr的平均值。
本实施方式中，联立公式6至8，即可以得到在不同温度点辨识出来的纵向导热系数kthr,舍去前期温升较缓慢的点，将不同点得出的纵向导热系数取平均，得到纵向导热系数kthr的平均值，这很大程度避免了单一求取所带来的误差，提高了参数获取的可靠性和准确性。
如此，即可求得方形软包锂离子电池的第二个热物性参数纵向导热系数kthr的大小。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式三或五所述的方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法作进一步说明，本实施方式中，步骤四中，根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池2呈抛物线方向进行传热过程，获得横向导热系数kin的具体过程为：
采用热电偶3采集两块方形软包锂离子电池2的两个中心位置的温度和靠近中心位置处的温度T，
考虑边界条件以消除厚度方向的影响，将传热模型化简为：
方形软包锂离子电池2的体积V为：
根据公式2、公式9和公式10，得到：
考虑任意时刻方形软包锂离子电池2表面温度呈抛物线分布，而且抛物线对称轴在发热中心，则将公式11积分后化简为：
式中，
C为常数，T(x)为方形软包锂离子电池2沿x轴方向的温度，
测量每个方形软包锂离子电池2上两个热电偶3的温度，则能够求得系数B，从而根据公式12得到横向导热系数kin。
Claims (3)
1.方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法，其特征在于，所述包括以下步骤：
步骤一、将方形加热片(1)置于两块同种型号的方形软包锂离子电池(2)中间，将方形加热片(1)和两块方形软包锂离子电池(2)置于绝热环境下，使方形软包锂离子电池(2)内部沿厚度方向进行传热；
步骤二、根据加热片的加热功率和两块方形软包锂离子电池(2)的温度随加热时间变化关系，获得比热容CP；
步骤三、根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池(2)沿厚度方向进行传热的过程，获得纵向导热系数kthr；
步骤四、用圆形加热片(4)将步骤一中的方形加热片(1)替换掉，使方形软包锂离子电池(2)内部沿抛物线方向传热，根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池(2)呈抛物线方向进行传热过程，获得横向导热系数kin，从而得到方形软包锂离子电池(2)热物性参数；
步骤二中，根据加热片的加热功率和两块方形软包锂离子电池(2)的温度随加热时间变化关系，获得比热容CP的具体过程为：
根据比热容公式：
式中，CP为定压比热容，Q为吸收或放出的热量，m为方形软包锂离子电池的质量，ΔT为温度的变化量，
将公式1等式两边同时除以时间的变化量Δt，并考虑该实验为加热片给两块电池同时加热，则公式1整理为：
式中，P为方形加热片的加热功率，
为两块方形软包锂离子电池(2)中心位置处的温度T随时间t的变化；
步骤三中，根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池(2)沿厚度方向进行传热的过程，获得纵向导热系数kthr的具体过程为：
传热模型为：
式中，ρ为电池单体的密度，kin为其横向导热系数，kthr为其纵向导热系数，
由于采用与电池侧面尺寸相一致的方形加热片对方形软包锂离子电池(2)进行加热，忽略边缘效应时将传热过程简化成沿电池厚度方向的一维导热过程，相当于屏蔽了横向的导热系数，于是，将公式3简化为：
式中，
约等于
将公式4简为二阶常微分方程，积分整理后为：
式中，
C2和C3为常数，
考虑从0到t时刻全部热量用于电池加热，得到方程：
其中，h为方形软包锂离子电池(2)侧面的厚度，T0为电池的初始平均温度，t为加热时间，
边界y＝h处为绝热环境，得出边界条件方程为：
边界温度已知，则得出边界条件的方程为：
T(y)|y＝h＝Tsurf 公式8，
其中，Tsurf为电池表面的温度，
将公式5中的T(y)带入公式6至公式8，然后联立公式6至公式8，得到在不同温度点辨识出来的纵向导热系数kthr，将不同点得出的纵向导热系数取平均，得到纵向导热系数kthr的平均值；
步骤四中，根据由比热容构建的传热模型及方形软包锂离子电池(2)呈抛物线方向进行传热过程，获得横向导热系数kin的具体过程为：
采用热电偶(3)采集两块方形软包锂离子电池(2)的两个中心位置的温度和靠近中心位置处的温度T，
考虑边界条件以消除厚度方向的影响，将传热模型化简为：
方形软包锂离子电池(2)的体积V为：
根据公式2、公式9和公式10，得到：
考虑任意时刻方形软包锂离子电池(2)表面温度呈抛物线分布，而且抛物线对称轴在发热中心，则将公式11积分后化简为：
式中，
C为常数，T(x)为方形软包锂离子电池(2)沿x轴方向的温度，
测量每个方形软包锂离子电池(2)上两个热电偶(3)的温度，则能够求得系数B，从而根据公式12得到横向导热系数kin。
2.根据权利要求1所述的方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法，其特征在于，步骤一中，使方形软包锂离子电池(2)内部沿厚度方向进行传热的方式为：
使用方形加热片(1)对两块同种型号的方形软包锂离子电池(2)进行加热，方形加热片与方形软包锂离子电池(2)的接触面尺寸相同。
3.根据权利要求1所述的方形软包锂离子电池热物性参数辨识方法，其特征在于，步骤四中，使方形软包锂离子电池(2)内部沿抛物线方向传热的方式为：
使用圆形加热片(4)对两块同种型号的方形软包锂离子电池(2)进行加热，圆形加热片位于两块同种型号的方形软包锂离子电池(2)的中心位置。
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