CN108732204A - 一种动力电池的比热容测试方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动力电池的比热容测试方法与装置，采用热损标定和加热均温测试来测定动力电池的比热容；通过热损标定获得动力电池的温度时间变化曲线；保持温控箱的腔体恒定温度不变，薄膜加热器给所述动力电池加热一段时间，随后停止加热，使所述动力电池自行散热均温一预设时间直至动力电池温度均匀并获得平均温升，根据所述温度时间变化曲线计算所述动力电池的热损，基于能量守恒计算其比热容。本发明动力电池的比热容测试装置简单、测量时间短、测试结果准确，成本低、易操作，可测试不同工况温度下的动力电池比热容。

Description

一种动力电池的比热容测试方法与装置

技术领域

本发明属于动力电池技术领域，具体涉及一种动力电池的比热容测试方法与装置。

背景技术

以锂离子电池为主的动力电池因功率密度高、循环寿命长和能量存储转换方便等优势，目前越来越多应用于乘用车辆领域。然而，动力电池在运行中会产生较多的热量，不及时耗散容易引发电池容量和寿命衰减，甚至导致热失控。为了提高动力电池热安全性和热可靠性，需要确定电池热物性参数以了解电池热特性，并对动力电池进行热管理。其中比热容是动力电池的重要热物性参数，预示电池升温速度，是进行电池有效热管理的关键热物性参数。

中国专利201610720317.1公开了一种动力锂电池比热容的检测方法，该方法首先对处于空电状态下初始温度为T0的锂离子电池以不大于2C的电流充电至满电，然后再以同样大小的电流将其放电至空电状态。记录试验结束时锂离子电池的温度T，并计算整个过程中锂离子电池充入电能与放出电能的差值ΔQ，然后根据公式ΔQ＝mc(T-T0)计算锂离子电池的比热容，其中m，c分别是电池的质量和比热容。该评估方法测试时间较长，测试过程需用到电池充放电设备，锂离子电池在充放电过程中不可避免存在温度变化，而电能差值受温度影响很大，直接影响比热容测量精度。

中国专利201410061887.5公开了一种锂离子电池比热容的评估方法，该方法首先通过试验获取锂离子电池内阻与表面温度的关系，并拟合其曲线方程；然后基于能量守恒定律，根据电池以某一电流I工作时的温升速率与温度的函数关系，以及其在恒定温度环境下静置时的散热速率与温度的函数关系推导出锂离子电池比热容的计算公式。该测试方法没有考虑电池因熵变引起的电池产热率，测量准确度不足，测试过程还需要利用外部充放电设备进行充放电，投入高，耗时长。另外，在大电流充放电时，电池内外温度不一致，这会导致比热容测量结果发散，这些因素都难以保证比热容的准确测量。

中国专利201410847949.5公开了一种锂离子电池比热容的测定方法，该方法采用加速绝热量热仪设备对电池进行加热，根据电池某一表面温度上升测试电池比热。然而，加速绝热量热仪设备(缩写为ARC)较为庞大，温度平衡慢，测试时间长，设备成本很高。另外，电池在加热过程，由于自身导热系数较低会存在较大的温度不均匀度，内部和外部温度也不一致，对于较大电池温度不均匀度更为明显，单纯根据某一表面温度上升计算的比热容误差较大，不能准确反应电池的比热容特性。

中国专利201610880061.0公开了一种将测温头安置在测试锂离子电池内部电芯间隙进行温度测量和比热容测定。然而，该测温方法与目前电池生产工艺不兼容，只能针对特制的软包电池才能实现内部温度测量。由于该方法属于侵入式测量，不能直接应用于市场上的标准电池。进一步，该方法中电加热丝置于绝热容器的内壁，不直接接触电池表面，从而不可避免导致电加热丝向电池传热变慢，加热时间仍然偏长，热损幅度也加大，即使采用绝热材料进行隔热，其热损也不能完全忽略。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明的目的在于提供一种动力电池的比热容测试方法与装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种动力电池的比热容测试方法，采用热损标定和加热均温测试来测定动力电池的比热容；通过所述热损标定获得所述动力电池的温度时间变化曲线；保持温控箱的腔体恒定温度不变，薄膜加热器给所述动力电池加热一段时间，随后停止加热，使所述动力电池自行散热均温一预设时间直至温度均匀，根据所述温度时间变化曲线计算所述动力电池的温度变化和热损，基于能量守恒计算其比热容。

进一步的，所述热损标定包括以下步骤：

S21、调节控制所述温控箱保持在初始温度T₀恒定不变，通过所述薄膜加热器给所述动力电池加热至工作温度上限T_max，停止加热，记录电池平均温度T_ave随时间t变化并拟合二者的曲线方程T_ave(t)；

S22、对所述曲线方程T_ave(t)求一阶导数，获得所述动力电池的降温速率U_cool；

S23、根据所述动力电池散热降温过程中所述电池平均温度T_ave与所述初始温度T₀的差ΔT_ave，拟合所述U_cool与所述ΔT_ave的函数方程U_cool(ΔT_ave)，其中ΔT_ave＝T_ave-T₀。

进一步的，所述加热均温测试方法为：

首先通过所述薄膜加热器加热所述动力电池t1时间，并达到某一温度T_ave(t1)，总加热量为Q_h,然后停止加热使所述动力电池自行散热均温t2时间,根据均温时的电池表面温度T_ave(t1+t2)、初始温度T₀、电池在加热和均温过程中的热损mcΔT_L1，mcΔT _L2，获得在温度区间[T₀,T_ave]的平均比热容c，

其中m是所述动力电池质量，ΔTave(t₁+t₂)＝Tave(t₁+t₂)-T₀表示电池温度与初始温度T₀之差。

进一步的，所述加热均温测试包括以下步骤：

S41、试验初始，所述动力电池和所述薄膜加热器置于所述温控箱内，调节控制所述温控箱保持在所述初始温度T₀；

S42、开启所述薄膜加热器，加热所述动力电池时间t1后至最大加热温度Tave(t1)，停止加热，所述动力电池自行散热均温；

S43、所述动力电池自行散热均温时间t2后，所述动力电池表面温度趋于一致；

S44、根据所述步骤S23中函数方程U_cool(ΔT_ave)，计算每一时刻的所述电池平均温度T_ave与所述初始温度T₀的差ΔT_ave对应的所述U_cool，然后拟合所述U_cool与时间t₁的函数方程U_cool，获得电池温升阶段的热损mcΔT_L1；

S45、根据步骤S22，计算[t₁,t₁+t₂]时间内所述电池平均温度T_ave与所述初始温度T₀的差ΔT_ave，求该均温阶段的热损：

S46、所述薄膜加热器总加热量为Q_h，停止试验时所述动力电池与初始时刻的温差为ΔT_ave(t₁+t₂)，由所述公式1获得动力电池比热容；所述动力电池比热容测试结果为温度T₀+ΔT_ave/2所对应的比热容值。

进一步的，所述步骤S42中，所述时间t1在30s～10分钟之间。

进一步的，所述时间t2不低于所述时间t1的一半，每隔固定时间段计算一次比热容，在t＝t1+t2时刻所计算的比热容与t＝t1/2+t2时刻计算的比热容相比偏差绝对值小于预设误差值为合格，以若干次合格计算值的平均值作为所述动力电池的比热容实测值。

一种动力电池的比热容测试装置，包括动力电池、薄膜加热器、温度传感器、绝热层和温控箱；所述薄膜加热器部分贴合于所述动力电池外表面；若干个所述温度传感器的测温头分布在所述动力电池外表面和所述薄膜加热器外表面；所述绝热层包裹所述动力电池、所述薄膜加热器和所述温度传感器并置于所述温控箱内。

进一步的，所述薄膜加热器一面覆胶并和所述动力电池中间部位贴合，所述贴合的覆盖面积不低于所述动力电池的表面积的40％。

进一步的，所述绝热层的材料为气凝胶毡或玻璃纤维。

进一步的，所述薄膜加热器由外部电绝缘材料膜包覆内部电加热薄膜层组成。

相比现有技术,本发明具有如下有益效果：

1.温度传感器贴于动力电池外表面，而不是内芯，为非侵入测量从而不会破坏动力电池结构。

2.设置均温时间，可以保证电池内部和外部温度一致，从而提高测量精度。

3.薄膜加热器直接和电池贴合，大大加快电池加热速率，从而降低加热时间。

4.适合于多种尺寸、形状的动力电池，包括方形电池、软包、圆柱电池。

本发明动力电池的比热容测试装置简单、测量时间短、测试结果准确，成本低、易操作，可测试不同工况温度下的动力电池比热容。

附图说明

图1为本发明一实施例薄膜加热器贴合动力电池示意图；

图2为本发明一实施例温度传感器分布示意图；

图3为本发明一种动力电池的比热容测试装置示意图；

图4为本发明一实施例标定动力电池热损时的温度变化示意图；

图5为本发明提供的当初始温度T₀为9℃时动力电池比热容测试时的温度变化图；

图6为本发明提供的动力电池比热容与温度的关系。

其中，1、动力电池；2、薄膜加热器；3、绝热层；4、温控箱；5、第一温度传感器；6、第二温度传感器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。

本实施例提供了一种动力电池的比热容测试装置，薄膜加热器贴合动力电池如图1，温度传感器分布如图2，测试装置示意图如图3。

动力电池1可为各种形状电池，如方形硬壳电池、软包电池、圆柱电池；本实施例采用方形硬壳动力电池，尺寸为130mm x 80mm x18mm，薄膜加热器2部分贴合在动力电池1外表面，在动力电池1外表面均匀布设第一温度传感器5，在薄膜加热器2外表面布设第二温度传感器6，所述绝热层3包裹所述动力电池1、所述薄膜加热器2和所述温度传感器并置于温控箱4内，绝热层3可选气凝胶毡，气凝胶毡的包覆厚度与动力电池1的厚度相当，可大幅度降低薄膜加热器2产生的热量损失。

本实施例提供了一种动力电池的比热容测试方法，测试过程包括热损标定和加热-均温测试两个主要步骤：

一、热损标定

(1)预设温控箱4腔体的初始温度为T₀，通过薄膜加热器给动力电池加热至工作温度上限T_max，停止加热，记录电池平均温度T_ave随时间t变化并拟合二者的曲线方程T_ave(t)；

(2)对方程T_ave(t)求一阶导数，获得动力电池的温度降低速率U_cool，mcU_cool即为电池热损；

(3)根据动力电池散热降温过程中所述电池平均温度T_ave与所述初始温度T₀的差ΔT_ave，拟合所述U_cool与所述ΔT_ave的函数方程U_cool(ΔT_ave)，其中ΔT_ave＝T_ave-T₀。

如图4为标定动力电池热损时的温度变化示意图，由50℃向0℃环境散热的平均温度部分变化图，图中T_ave为动力电池的平均温度。

温控箱其初始箱温T₀可以调节，可测试不同工况温度下的动力电池的比热容。

二、加热-均温测试

(1)预设薄膜加热器对动力电池的加热时间t₁，为降低试验误差，加热时间不低于30s，动力电池的温升幅度不低于5℃，考虑到动力电池的热安全性，其最大预热温度不高于电池最大允许温度如70℃。

(2)计算薄膜加热器在0-t1时间段的总加热量为q₀为加热器功率。

(3)根据公式获得电池在加热时间内的热损mcΔT_L1。

(4)薄膜加热器停止加热后，预设均温时间t₂不低于300s，本实施例t₂取700s，每隔100s计算一次比热容，t₁+t₂时刻所计算的比热容与t₁+t2-300s时刻计算的比热容相比偏差绝对值小于3％时为合格，以3次合格计算值的平均值作为所述动力电池的比热容实测值。

如图5为当初始温度T₀为9℃时动力电池比热容测试时的温度变化，图中T_ave为动力电池表面4个测温点的平均温度，TC2为薄膜加热器表面测温点；

(5)根据公式计算薄膜加热器停止加热后均温t₂时间内的热损mcΔT_L2：

(6)记在t1+t2时刻动力电池温度与初始温度的温差为ΔT_ave(t1+t2)，ΔT_ave(t₁+t₂)在5～20℃。

薄膜加热器的加热功率为q₀，则动力电池的比热容根据如下公式可求。

所求结果即为温度T₀+ΔT_ave/2对应下的动力电池的比热容，则该式可用于计算多种工况温度下的动力电池1的比热容，如图6为本实施例所测试的动力电池比热容随工况温度的依变关系。

本实施例中，对动力电池的数量无具体限制，可根据具体情况来设置，为便于与薄膜加热器良好接触，降低额外热损，薄膜加热器材质为轻质电绝缘薄膜材料，如聚酰亚胺、环氧树脂。

本实施例中，薄膜加热器直接和动力电池贴合，大大加快电池加热速率，从而降低了加热时间，为30s-10min。现有技术加热时间为10-30min。

本实施例中，气凝胶毡3均匀包覆于动力电池1的外周，优选的是，气凝胶毡3的包覆厚度与动力电池1的厚度相当。

本实施例中，温度传感器为热电偶，共计5个，用于温度变化。热电偶的引线端连接温控箱外部的温度采集仪。薄膜加热器通过导线连接温控箱外部的直流电源。

本实施例中，动力电池的质量为已知，通过计算薄膜加热器产生的热量，动力电池的温度变化，热损标定获得动力电池的温度时间变化曲线，确定比热值达到收敛的判据，最后计算动力电池的比热容。

本实施例中，薄膜加热器的加热功率由稳压电源提供，薄膜加热器的额定功率为24W，预热时间为200s，常温下电池温度上升在12℃左右。较大的电池温升可以降低因温度传感器引起的测温误差，一般在0.2℃左右。

如图6显示了不同测量温度区间的比热容测试结果，所测比热容和拟合曲线非常接近，表明本方法具有良好的测量精度和较小的测量偏差。

通过上述实施例阐述了本发明提供的动力电池的比热容测试原理和测试方法。

本发明提供了一种装置简单、测量时间短、测试结果准确，成本低、容易实现，且可测试不同工况温度下的动力电池比热容。可为动力电池厂家、电动汽车企业等机构提供可靠的动力电池比热容测试数据，并直接用于电池热管理设计。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种动力电池的比热容测试方法，其特征在于，

采用热损标定和加热均温测试来测定动力电池的比热容；通过所述热损标定获得所述动力电池的温度时间变化曲线；保持温控箱的腔体恒定温度不变，薄膜加热器给所述动力电池加热一段时间，随后停止加热，使所述动力电池自行散热均温一预设时间直至所述动力电池温度均匀并获得平均温升，根据所述温度时间变化曲线计算所述动力电池的热损，基于能量守恒计算其比热容。

2.根据权利要求1所述的一种动力电池的比热容测试方法，其特征在于，所述热损标定包括以下步骤：

S21、调节控制所述温控箱保持在初始温度T₀恒定不变，通过所述薄膜加热器给所述动力电池加热至工作温度上限T_max，停止加热，记录电池平均温度T_ave随时间t变化并拟合二者的曲线方程T_ave(t)；

S22、对所述曲线方程T_ave(t)求一阶导数，获得所述动力电池的降温速率U_cool；

S23、根据所述动力电池散热降温过程中所述电池平均温度T_ave与所述初始温度T₀的差ΔT_ave，所述ΔT_ave为所述平均温升，拟合所述U_cool与所述ΔT_ave的函数方程U_cool(ΔT_ave)，其中ΔT_ave＝T_ave-T₀。

3.根据权利要求2所述的一种动力电池的比热容测试方法，其特征在于，所述加热均温测试方法为：

首先通过所述薄膜加热器加热所述动力电池t1时间，并达到某一温度T_ave(t1)，总加热量为Q_h,然后停止加热使所述动力电池自行散热均温t2时间,根据均温时的电池表面温度T_ave(t1+t2)、初始温度T₀、电池在加热和均温过程中的热损mcΔT_L1，mcΔT_L2，获得在温度区间[T₀,T_ave]的平均比热容c，

其中m是所述动力电池质量，ΔTave(t₁+t₂)＝Tave(t₁+t₂)-T₀表示电池温度与初始温度T₀之差。

4.根据权利要求3所述的一种动力电池的比热容测试方法，其特征在于，所述加热均温测试包括以下步骤：

S41、试验初始，所述动力电池和所述薄膜加热器置于所述温控箱内，调节控制所述温控箱保持在所述初始温度T₀；

S42、开启所述薄膜加热器，加热所述动力电池时间t1后至最大加热温度Tave(t1)，停止加热，所述动力电池自行散热均温；

S43、所述动力电池自行散热均温时间t2后，所述动力电池表面温度趋于一致；

S44、根据所述步骤S23中函数方程U_cool(ΔT_ave)，计算每一时刻的所述电池平均温度T_ave与所述初始温度T₀的差ΔT_ave对应的所述U_cool，然后拟合所述U_cool与时间t₁的函数方程U_cool，获得电池温升阶段的热损mcΔT_L1；

S45、根据步骤S22，计算[t₁,t₁+t₂]时间内所述电池平均温度T_ave与所述初始温度T₀的差ΔT_ave，ΔT_ave＝T_ave-T₀，求该均温阶段的热损：

S46、所述薄膜加热器总加热量为Q_h，停止试验时所述动力电池与初始时刻的温差为ΔT_ave(t₁+t₂)，由所述公式1获得动力电池比热容；所述动力电池比热容测试结果为温度T₀+ΔT_ave/2所对应的比热容值。

5.根据权利要求4所述的一种动力电池的比热容测试方法，其特征在于，所述步骤S42中，所述时间t1在30s～10分钟之间。

6.根据权利要求5所述的一种动力电池的比热容测试方法，其特征在于，所述时间t2不低于所述时间t1的一半，每隔固定时间段计算一次比热容，在t＝t1+t2时刻所计算的比热容与t＝t1/2+t2时刻计算的比热容相比偏差绝对值小于预设误差值为合格，以若干次合格计算值的平均值作为所述动力电池的比热容实测值。

7.一种实施权利要求1～6任意一项所述的一种动力电池的比热容测试方法的动力电池的比热容测试装置，其特征在于，

包括动力电池、薄膜加热器、温度传感器、绝热层和温控箱；所述薄膜加热器部分贴合于所述动力电池外表面；若干个所述温度传感器的测温头分布在所述动力电池外表面和所述薄膜加热器外表面；所述绝热层包裹所述动力电池、所述薄膜加热器和所述温度传感器并置于所述温控箱内。

8.根据权利要求7所述的一种动力电池的比热容测试装置，其特征在于，所述薄膜加热器一面覆胶并和所述动力电池中间部位贴合，所述贴合的覆盖面积不低于所述动力电池的表面积的40％。

9.根据权利要求7所述的一种动力电池的比热容测试装置，其特征在于，所述绝热层的材料为气凝胶毡或玻璃纤维。

10.根据权利要求7所述的一种动力电池的比热容测试装置，其特征在于，所述薄膜加热器由外部电绝缘材料膜包覆内部电加热薄膜层组成。