CN108983107A - 一种动力电池的生热率测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动力电池的生热率测试方法，该方法将动力电池置于近似绝热的环境中，首先对动力电池在工作过程中的热量损失和温度变化进行测算；然后拟合动力电池平均温度随工作时间的函数方程，并对方程求一阶导数获得动力电池的温降率；最后基于能量守恒定律求取动力电池生热率随工作时间的曲线方程。本发明所公开的动力电池在工作过程中的生热率测试方法，具有测试过程简便、测试周期短、易操作且测试结果精确等优点，可应用于动力电池在宽工作温度范围和高工作电流等工况下的生热率测试工作。

Description

一种动力电池的生热率测试方法

技术领域

本发明涉及动力电池技术领域，尤其是涉及一种动力电池的生热率测试方法。

背景技术

近年来，随着电动汽车产业的快速发展，乘用车动力电池的市场需求快速增加，同时动力电池的安全问题日益受到人们重视。动力电池的安全问题主要是由热失控引起，因此对于动力电池热特性的研究成为行业关注的焦点。车用动力电池的热失控主要是由热管理不善造成，故对车用动力电池进行热管理十分重要。动力电池在工作过程中的生热率是对其进行热管理必须熟知的热特性参数，通常表示为动力电池在单位时间内的生热量。

专利号CN 201210500019.3公开了一种锂离子电池热性能的测试方法，该方法将锂离子电池置于恒温箱中，首先测试锂离子电池的开路电压(U_OC)温度系数(B)与电池荷电状态的曲线关系，然后令电池以某一倍率电流放电，实时检测锂离子电池(体积为V)的工作电压U与自身温度的变化，获得电池工作电压与放电时间的函数关系，最后根据电池生热率公式P＝I(U-U_OC+B×T)/V计算锂离子电池的生热率。该测试方法是基于1985年加州大学伯克利分校Bernardi等人提出的电池生热率方程来计算锂离子电池的生热率，该方法虽应用广泛，但需要试验获取电池的内阻和熵权系数等参数来间接计算其生热率，测试时间较长，不够便捷，且误差较大。

专利号CN 201510487355.2公开了一种充放电条件下锂离子电池生热量的估算方法，该方法首先测试锂离子电池在电加热条件和充放电条件下的自身温度变化情况，其次运用微分热平衡方程确定锂离子电池在不同电加热功率下的热损与温度的曲线关系，最后根据锂离子电池在不同工况温度下充放电过程中的自身温度变化数据，基于微分热平衡方程来计算锂离子电池真实的生热率。该测试方考虑了热损对锂离子电池在充放电过程中的影响，提高了测试精度，但测试过程较繁琐，不具有普适性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种测试过程简便、测试时间短、易操作且结果精确的动力电池的生热率测试方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种动力电池的生热率测试方法，用于对工作过程中的动力电池进行生热率测试。本发明方法包括以下步骤：

S1：对待测动力电池进行热损标定试验，将具有初始温度T_i的待测动力电池置于绝热环境中，调节环境温度至与动力电池的初始温度相同后，调低环境温度至指定温度T_x，记录待测动力电池平均温度与环境温度之间的温差。

S2：拟合指定温度T_x下动力电池平均温度随时间的函数方程T_cool(t)，对T_cool(t)求一阶倒数，将dT_cool(t)/dt作为待测动力电池的温降率，记为U_cool。

S3：拟合温降率与温差的函数方程，根据能量守恒定律，获取动力电池热损与温差的函数方程；

温降率与温差的函数方程U_cool(ΔT_s)的表达式为：

U_cool(ΔT_s)＝KΔT_s

式中，U_cool为待测动力电池的温降率，ΔT_s为待测动力电池平均温度与环境温度之间的温差，K为方程系数。

S4：令待测动力电池以某一倍率电流工作，将工作总时间等分，计算每一等分点处待测动力电池的平均温度；

S5：拟合每一等分点处待测动力电池的平均温度与工作时间的函数方程，获取待测动力电池工作过程中的温升率；

S6：根据步骤S3中温降率与温差的函数方程计算待测动力电池工作过程中的热损与温差的函数方程，即：

动力电池热损与温差的函数方程的表达式为：

cmU_cool(ΔT_s)＝cmKΔT_s

式中，m为待测动力电池的质量，c为待测动力电池的比热容。

S7：根据待测动力电池工作过程中的热损获取待测动力电池的生热率随工作时间的函数方程，

S8：将等分的各个时间点记作待测动力电池的荷电状态，获取待测动力电池的生热率与荷电状态的函数方程，进而获取待测动力电池工作过程时的生热率。

待测动力电池的生热率与荷电状态的函数方程的表达式为：

q_b(SOC)＝cm[U_rise(SOC)-U_cool(SOC)]

式中，q_b(SOC为生热率，U_rise(SOC为温升率，SOC为待测动力电池的荷电状态。

优选地，在对待测动力电池进行热损标定试验时，待测动力电池的平均温度与环境温度之间的最大温差不低于待测动力电池工作过程中的最大温升10℃。

优选地，在对待测动力电池进行热损标定试验时，当电池的平均温度降至高于初始温度5℃时，停止测试。

优选地，待测动力电池的工作过程包括充电过程和放电过程，充电过程和放电过程采用电池充放电设备完成。当对待测动力电池进行放电过程中的生热率测试时，测试前首先给动力电池以1C标准电流充电至截止电压；当对待测动力电池进行充电过程中的生热率测试时，测试前首先给动力电池以1C标准电流放电至截止电压。

优选地，待测动力电池的初始温度由恒温箱控制，该恒温箱的控温范围大于待测动力电池的工作温度范围，绝热环境的温度由保温材料或真空箱控制。

优选地，待测动力电池的平均温度由热电偶测取，热电偶的数量至少为两个，且多个热电偶均匀设于待测动力电池的表面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、过程简便：本发明仅根据动力电池一次的充放电过程即可计算出电池的生热率，与基于传统的Bernardi模型必须多次测试电池在不同工况下的内阻和熵权系数等过程相比，大大精简了计算过程；

二、测试周期短：待测动力电池一次标准的充放电(电池1C电流工作)周期往往在1小左右，或当电池以更高倍率电流工作时其工作周期小于1小时，本发明根据上述一个工作周期来获取试验数据，测试周期较短；

三、易操作：本发明仅采用电池充放电设备、恒温箱和简易的保温装置等测试电池在工作过程中的温升数据，测试参数较少，测试工况易实现，设备易操作；

四、结果精确：本发明基于能量守恒定律，根据电池真实的温升状况计算其生热率，测试较直接，相比于试验获取电池的内阻和熵权系数等参数来间接计算其生热率，大大减小了误差。

附图说明

图1为本发明一种动力电池的生热率测试方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中动力电池在近似绝热环境下的平均温度随标定时间的变化关系图；

图3为本发明实施例中动力电池在环境温度10℃下工作时的温升与时间的关系曲线图；

图4为本发明实施例中动力电池在不同初始温度下以1倍率电流工作时的生热率与荷电状态的关系曲线图，图中1C表示1倍率电流；

图5为本发明实施例中动力电池在同一初始温度下以高倍率电流工作时的生热率与荷电状态的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明涉及一种动力电池的生热率测试方法，用于在工作过程中，当动力电池初始温度和工作电流改变时，测试动力电池在不同工况温度下和以不同倍率电流工作时的生热率。本实施例中的动力电池由气凝胶毡包覆，包覆厚度为20mm，将其置于立方体状珍珠棉中心，实心珍珠棉边长不低于动力电池高度的两倍。动力电池及气凝胶毡和珍珠棉均置于恒温箱，由恒温箱提供初始温度，其控温范围大于动力电池的工作温度范围。

本实施例中动力电池的平均温度由所测试的电池表面的平均温度表示，因所述动力电池处于近似绝热环境，表面热阻远大于内部热阻，所测试的动力电池的表面温度可表征动力电池的整体温度。本实施例采用热电偶获取动力电池表面的温度，热电偶通过热电偶线连接恒温箱外部的温度采集仪；热电偶的数量为5个，且均匀布置于动力电池的表面。

动力电池的充电过程或放电过程由专业的电池充放电设备完成，工作电流不低于1倍率；动力电池在工作过程中的平均温度T_avg最大不高于60℃；动力电池的比热容由电池厂家提供，数值为1200J·Kg^-1℃^-1。

本发明动力电池的生热率测试方法分为热损标定和生热率测试两大测试步骤：

a.热损标定

(a1)预设所述动力电池、保温材料和恒温箱炉温的初始温度均为50℃。

(a2)迅速调低恒温箱炉温至0℃，同时记录动力电池的平均温度随时间的变化，待所述动力电池平均温度与炉温间的温差低于5℃时停止操作，图2显示了测试结果，图中，T_avg为动力电池的平均温度，由图2可获取动力电池的平均温度随时间的函数方程T_cool(t)。

(a3)对方程T_cool(t)求一阶导数，则dT_cool(t)/dt为动力电池的温降率，记为U_cool。

(a4)计算动力电池温降过程中其平均温度与炉温间的温差ΔT_s，并计算每一时刻电池的温降率U_cool，当ΔT_s为0℃时，U_cool也为0，拟合U_cool与ΔT_s的函数方程U_cool(ΔT_s)；

U_cool(ΔT_s)＝-1.19×10^-4ΔT_s

(a5)设动力电池的质量和比热容分别为m和c，根据能量守恒定律，则动力电池热损与温差的函数方程为：

cmU_cool(ΔT_s)＝-1.19×10^-4cmΔT_s

b.动力电池的生热率

(b1)本实施例以测试电池放电过程中的生热率为例。假设待测动力电池的初始温度为T₀(初始温度范围为-20℃至30℃)，然后令动力电池以某一倍率电流工作，工作总时间为t₀，将其10等分，并计算每一等分点处动力电池的平均温度T_avg，根据该过程，T₀为10℃时的电池温度变化如图3所示，图中TC1至TC5为电池表面的测温点。

(b2)拟合所述动力电池在工作过程中的平均温度T_avg与工作时间的函数方程T_avg(t)；

(b3)对函数方程T_avg(t)求一阶导数，得到动力电池在工作过程中的温升率dT_avg(t)/dt，记为U_rise(t)；

(b4)计算动力电池工作过程中的热损，方法为：

计算步骤(b1)中每一等分点处所述动力电池平均温度与环境温度的温差：

ΔT(t)＝T_avg(t)-T₀

将ΔT(t)代入步骤(a4)中的函数方程U_cool(ΔT_s)，根据电池温降率和其对应的时间可计算所述动力电池热损随工作时间的函数方程cmU_cool(t)；

(b5)基于上述步骤及公式(1)和图2，当初始温度为10℃时可求取动力电池生热率随工作时间的函数方程；

(b6)将步骤(b1)中第1、2、3……11个等分点分别记为动力电池的荷电状态(SOC，State of charge)1.0、0.9、0.8……0，则可得初始温度为10℃时的动力电池生热率q_b与SOC的函数方程(S代表SOC)：

q_b＝2.63×10⁴-1.72×10⁵S+6.94×10⁵S²-1.46×10⁶S³+1.45×10⁴S⁴-5.42×10⁵S⁵

测试的动力电池在不同工况下的生热率与SOC的曲线图如图4和图5所示。从图中可以看出，动力电池的生热率随工作温度和SOC的降低而增大，随工作电流的增大而增大，在放电末期，电池生热率曲线出现明显的“上翘”现象。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种动力电池的生热率测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对待测动力电池进行热损标定试验，将具有初始温度的待测动力电池置于绝热环境中，调节环境温度至与动力电池的初始温度相同后，调低环境温度至指定温度，记录待测动力电池平均温度与环境温度之间的温差；

2)拟合指定温度下动力电池平均温度随时间的函数方程，获取温降率；

3)拟合温降率与温差的函数方程，根据能量守恒定律，获取动力电池热损与温差的函数方程；

4)令待测动力电池以某一倍率电流工作，将工作总时间等分，计算每一等分点处待测动力电池的平均温度；

5)拟合每一等分点处待测动力电池的平均温度与工作时间的函数方程，获取待测动力电池工作过程中的温升率；

6)根据步骤3)中温降率与温差的函数方程获取待测动力电池工作过程中的热损与温差的函数方程；

7)根据待测动力电池工作过程中的热损获取待测动力电池的生热率随工作时间的函数方程；

8)将步骤4)中等分的各个时间点记作待测动力电池的荷电状态，获取待测动力电池的生热率与荷电状态的函数方程，进而获取待测动力电池工作过程时的生热率。

2.根据权利要求1所述的一种动力电池的生热率测试方法，其特征在于，温降率与温差的函数方程U_cool(ΔT_s)的表达式为：

U_cool(ΔT_s)＝KΔT_s

式中，U_cool为待测动力电池的温降率，ΔT_s为待测动力电池平均温度与环境温度之间的温差，K为方程系数。

3.根据权利要求2所述的一种动力电池的生热率测试方法，其特征在于，动力电池热损与温差的函数方程的表达式为：

cmU_cool(ΔT_s)＝cmKΔT_s

式中，m为待测动力电池的质量，c为待测动力电池的比热容。

4.根据权利要求3所述的一种动力电池的生热率测试方法，其特征在于，待测动力电池的生热率与荷电状态的函数方程的表达式为：

q_b(SOC)＝cm[U_rise(SOC)-U_cool(SOC)]

式中，q_b(SOC)为生热率，U_rise(SOC)为温升率，SOC为待测动力电池的荷电状态。

5.根据权利要求1所述的一种动力电池的生热率测试方法，其特征在于，在对待测动力电池进行热损标定试验时，待测动力电池的平均温度与环境温度之间的最大温差不低于待测动力电池工作过程中的最大温升10℃。

6.根据权利要求1所述的一种动力电池的生热率测试方法，其特征在于，在对待测动力电池进行热损标定试验时，当电池的平均温度降至高于初始温度5℃时，停止测试。

7.根据权利要求1所述的一种动力电池的生热率测试方法，其特征在于，待测动力电池的工作过程包括充电过程和放电过程，充电过程和放电过程采用电池充放电设备完成。

8.根据权利要求7所述的一种动力电池的生热率测试方法，其特征在于，当对待测动力电池进行放电过程中的生热率测试时，测试前首先给动力电池以1C标准电流充电至截止电压；当对待测动力电池进行充电过程中的生热率测试时，测试前首先给动力电池以1C标准电流放电至截止电压。

9.根据权利要求1所述的一种动力电池的生热率测试方法，其特征在于，待测动力电池的初始温度由恒温箱控制，该恒温箱的控温范围大于待测动力电池的工作温度范围，绝热环境的温度由保温材料或真空箱控制。

10.根据权利要求1所述的一种动力电池的生热率测试方法，其特征在于，待测动力电池的平均温度由热电偶测取，热电偶的数量至少为两个，且均匀设于待测动力电池的表面。