CN109632873B - 锂离子电池比热容测试方法及充放电产热量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锂离子电池技术领域。本发明公开了一种锂离子电池比热容测试方法，采用辅助材料降温法测算锂离子电池的比热容，并获得比热容计算公式；本发明还公开了一种离子电池充放电产热量的计算方法，其依据测算获得的锂离子电池比热容，对锂离子电池充放电过程中的产热量进行计算。本发明测试过程中不涉及对锂离子电池具体结构和部件等的分析，仅涉及放电温升，因此可以广泛应用于所有类型的锂离子电池，甚至可以沿用至其他电池，对电池材料及内部结构无需关注；通过设定本发明中的充放电程序可以对不同充放电工况进行测试，包括大电流充电等，满足不同场景的产热测试。

Description

锂离子电池比热容测试方法及充放电产热量计算方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其是涉及一种锂离子电池比热容测试方法及放电产热量计算方法。

背景技术

数据显示，2018年1～10月份中国市场电动纯电动汽车销售量达65.3万辆，同比增长62.3％；2018年1～10月份中国市场纯电动汽车搭载电池量合计约为34.72GWh，同比增长97％。

动力电池作为电动汽车的驱动能源，决定了电动汽车的行驶性能及安全，研究表明，温度对电池的性能及安全性有着重要的影响。首先，电池的充放电反应是在一定温度范围内发生的，较适宜的温度是0～40℃，电池在高于或者低于这个范围，都会影响电池包的使用寿命和性能；电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体性能的不均衡。同时，电池组的热监控和热管理对整车运行安全意义重大，近年来已经发起多起电动汽车自燃事故，其中大部分事故原因为电池包的热失控引起，因此发展电池包的热管理技术已经成为电池技术人员的共识。

设计性能良好的电池组热管理系统，要采用系统化的设计方法。其中至关重要的一步是在设计动力电池组热管理系统前必须对电池组的产热进行分析。动力电池作为电化学装置，放出热量取决于电池的化学、机械、电学本质和特征，特别是电化学反应的本质。因此测量电池组发热量比较复杂，而采用特定量热装置存在设备成本投入大等问题。

要计算锂离子电池产热必须测量电池的热物性参数，即电池比热容，电池的热容量可以按照物理学定义用量热计直接测量得到，也可以采用理论计算的方法得到。现有技术中，根据离子电池中每一种材料的比热，通过质量加权平均的办法可以计算出锂离子电池的比热容

式中，C_p为电池的比热；m为电池单体的质量；m_i为电池单体每种材料的质量；C_i为电池单体每种材料的比热；但是锂离子电池的主要由正极片、负极片、隔膜、电解液、外壳体五大部分构成，其中正极片包括正极材料，铝箔及各种导热粘结剂组成，负极片主要有负极材料(主要为石墨或硅碳等)，铜箔以及各种导热添加剂组成，电解液包括电解质六氟磷酸锂，有机溶剂及各种功能添加剂等，隔膜主要为PP-PE膜和陶瓷涂层；外壳根据电芯的封装方式主要分为铝壳，钢壳以及铝塑膜三大类，总体来说电池内材料复杂，各电池厂家材料都有差异，因此很难逐个明确各个材料比例及比热容；此外现有技术中还公开了一些锂离子电池比热容的测试方法，如中国专利公布号为CN103713012A公开了一种锂离子电池比热容测试方法，其采用对不同SOC状态下电池的开路电压随表面温度变化的数据进行回归分析，得到电池的开路电压、开路电压温度系数与不同放电时间的拟合关系式，利用该关系式计算对应放电时记录的各个时间点的开路电压、开路电压温度系数，计算每一时间点的电池放电的发热功率并计算释放的热量值，根据放电时间和放电倍率计算出相应时刻的SOC状态，即可得到不同SOC状态下的比热容，这种方法涉及大量数据采集和大量计算，整个过程十分复杂；还如中国专利公布号为CN105806884A公开了一种锂离子电池比热容的测定方法，其涉及到热量采集，但是采用量热设备对热量进行测试存在设备成本高，精度低等问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种能够低成本测试准确并且具有广泛适用性的锂离子电池比热容测试方法；

本发明还提供了一种由上述方法测试获得的锂离子电池比热容计算得到锂离子电池放电产热量的计算方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种锂离子电池比热容测试方法，包括以下步骤：

a)在充满电的锂离子电池外表面安装温度传感器，然后再在外侧安装隔热层，接着进行放电；记录放电前后锂离子电池的温度差，并记为ΔT₀；

b)在充满电的锂离子电池外表面安装温度传感器，然后在外侧设置绝缘导热层并在绝缘导热层内设置温度传感器，之后再在绝缘导热层外侧安装隔热层，接着按与步骤a)相同的放电程序进行放电，记录放电前后锂离子电池的温度差记为ΔT₁，记录放电前后绝缘导热层的温度差记为ΔT₂；

c)计算获得锂离子电池比热容C_p，

其中，C_d为导热绝缘导热硅胶的比热，m₀为锂离子电池的质量，m₁为导热绝缘导热硅胶的质量。

步骤c)中公式具体推导如下：

1.假设锂离子电池在步骤a)特定电流下放电所产生的热量记为Q₀，则存在Q₀＝C_p·m₀·ΔT₀，式中Q₀为锂离子电池总产热量，C_p为电池单体的比热，m₀为锂离子电池的质量，ΔT₀为锂离子电池温升；

2.步骤b)中，锂离子电池放电产生的热量(记为Q₁)全部转化为锂离子电池自身的温升及绝缘导热层的温升，因此存在Q₁＝C_p·m₀·ΔT₁+C_d·m₁·ΔT₂，式中Q₁为锂离子电池总产热量；C_p为锂离子电池的比热；m₀为锂离子电池的质量；C_d为绝缘导热层的比热(已知或选用已知比热容的材料)；m₁为绝缘导热层的质量(可由差重法测得)；ΔT₁、ΔT₂分别为锂离子电池自身及绝缘导热层的温升(测量得到)；

3.由于步骤a)和步骤b)中为同一锂离子电池采用相同的放电程序放电产生热量，因此两次放电产生的热量应该相同，即Q₀＝Q₁，由此可以得出C_p·m₀·ΔT₀＝C_p·m₀·ΔT₁+C_d·m₁·ΔT₂，经化简后可以得出锂离子电池的比热容计算公式：

锂离子电池放电测试温升过程中对电池进行绝热处理即在外侧增加隔热层，提高测量准确度；绝缘导热层可为由已知比热容的可固化流体材料制得，不仅限于本说明书中提到的材料。

作为优选，步骤a)中温度传感器安装在锂离子电池的六个外表面上，步骤b)中温度传感器安装在锂离子电池的六个外表面和与六个外表面相对应的绝缘导热层内。

作为优选，步骤a)中放电前后锂离子电池的温度差ΔT₀为锂离子电池表面六个传感器所测得温度差的平均值；所述步骤b)中放电前后锂离子电池的温度差ΔT₁为锂离子电池表面六个传感器所测得温度差的平均值，放电前后绝缘导热层的温度差ΔT₂为绝缘导热层内六个传感器所测得温度差的平均值。

作为优选，步骤b)中的绝缘导热层为绝缘导热硅胶层，其由以下方法制得，将在表面安装好温度传感器的锂离子电池置于容器中，容器内壁距锂离子电池各个表面的距离为0.5～1.0cm，然后向容器中倒入绝缘导热硅胶，并在绝缘导热硅胶中安置温度传感器，等绝缘导热硅胶固化后剥离容器制得绝缘导热硅胶层，并在绝缘导热硅胶层外安装隔热层。

采用绝缘导热硅胶这种材料制作绝缘导热层是因为在固化前绝缘导热硅胶具有相当的流动性，其可以完全填充锂电池与容器之间的缝隙，并且固化后能够与锂离子电池表面紧密的贴合，在外侧也能形成完整的平面利于隔热层的贴合；若直接采用固态的绝缘导热材料作为绝缘导热层，其因形状无法改变难免存在空隙影响温差的测量进度，若采用液态的绝缘导热材料作为填充，则无法避免绝缘导热材料留到装置的缝隙中产生误差，同时对于上表面的后续处理也存在问题。

作为优选，绝缘导热硅胶为导热灌封硅胶。

一种锂离子电池充放电产热量的计算方法，其由以下公式计算获得，Q＝C_p·m·ΔT，其中C_p为锂离子电池比热容，其由上述锂离子电池比热容测试方法测试计算获得，m为锂离子电池的质量，ΔT为锂离子电池充放电前后温度差。

因此，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明测试过程中不涉及对锂离子电池具体结构和部件等的分析，仅涉及放电温升，因此可以广泛应用于所有类型的锂离子电池，甚至可以沿用至其他电池，对电池材料及内部结构无需关注；

(2)通过设定本发明中的充放电程序可以对不同充放电工况进行测试，包括大电流充电等，满足不同场景的产热测试。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的说明。

显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，若非特指，所有的设备和原料均可从市场上购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。

实施例1

本实施例采用电池为方形电池，电池标称容量为150Ah，采用的绝缘导热层由绝缘导热硅胶制得，其比热容为1.459J·g^-1·℃^-1(25℃)；测试设备为电池充放电测试系统(星云电子)，温度测试仪(安柏)；放电程序为锂离子电池充满电后，电池以100A电流放电至完全放电。

锂离子电池比热容测试方法，包括以下步骤：

a)在充满电的锂离子电池六个外表面安装温度传感器，然后再在外侧安装隔热层，接着按上述放电程序进行放电；记录放电前后锂离子电池的温度差，并记为ΔT₀；

b)在充满电的锂离子电池六个外表面安装温度传感器，然后在外侧设置绝缘导热层并在六个绝缘导热层内设置温度传感器，之后再在绝缘导热层外侧安装隔热层，接着按与步骤a)相同的放电程序进行放电，记录放电前后锂离子电池的温度差记为ΔT₁，记录放电前后绝缘导热层的温度差记为ΔT₂；

绝缘导热硅胶层由以下方法制得，将在表面安装好温度传感器的锂离子电池置于容器中，容器内壁距锂离子电池各个表面的距离为1.0cm，然后向容器中倒入绝缘导热硅胶，并在绝缘导热硅胶中安置温度传感器，等绝缘导热硅胶固化后剥离容器制得绝缘导热硅胶层并在绝缘导热硅胶层外安装隔热层。

步骤a)中测得的温度如下，初始温度为25.5℃，放电结束平均温度为57.6℃，可得平均温升为32℃，即ΔT₀为32.0℃；

步骤b)中测得的温度如下，锂离子电池的初始温度为26.3℃，放电结束时锂离子电池温度为51.2℃，可得锂离子电池平均温升为25.1℃，即ΔT₁为25.1℃；绝缘导热层的初始温度为26.0℃，放电结束时锂离子电池温度为51.0℃，可得锂离子电池平均温升为25.0℃，即ΔT₂为25.0℃。

然后根据本发明中给出的锂离子电池比热容计算公式

计算锂离子电池比热容，式中C_d＝1.459J·g^-1·℃^-1，m₁＝606g，m₀＝3540g，ΔT₀＝32.℃，ΔT₁＝25.1℃，ΔT₂＝25.0℃，计算得C_p＝0.905J·g^-1·℃^-1。

进一步可以计算锂离子电池在步骤a)或步骤b)中放电过程的产热量，Q＝Cp·m·ΔT，其中Cp为锂离子电池比热容，其由上述锂离子电池比热容测试方法测试计算获得，m为锂离子电池的质量，ΔT为锂离子电池充放电前后温度差；计算可得Q＝102.6KJ。

锂离子电池厂家提供的锂离子电池比热容参数为0.915J·g^-1·℃^-1，与由本发明方法测试获得的锂离子电池比热容基本一致，两者差极小，由本发明中锂离子电池比热容测试方法测得的锂离子电池比热容具有较高的精确度。

应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种锂离子电池比热容测试方法，其特征在于包括以下步骤：

a)在充满电的锂离子电池外表面安装温度传感器，然后再在外侧安装隔热层，接着进行放电；记录放电前后锂离子电池的温度差，并记为ΔT₀；

b)在充满电的锂离子电池外表面安装温度传感器，然后在外侧设置绝缘导热层并在绝缘导热层内设置温度传感器，所述绝缘导热层为绝缘导热硅胶层，之后再在绝缘导热层外侧安装隔热层，接着按与步骤a)相同的放电程序进行放电，记录放电前后锂离子电池的温度差记为ΔT₁，记录放电前后绝缘导热层的温度差记为ΔT₂；

c)计算获得锂离子电池比热容C_p，

其中，C_d为绝缘导热硅胶的比热，m₀为锂离子电池的质量，m₁为绝缘导热硅胶的质量。

2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池比热容测试方法，其特征在于：

所述步骤a)中温度传感器安装在锂离子电池的六个外表面上，所述步骤b)中温度传感器安装在锂离子电池的六个外表面和与六个外表面相对应的绝缘导热层内。

3.根据权利要求2所述的一种锂离子电池比热容测试方法，其特征在于：

所述步骤a)中放电前后锂离子电池的温度差ΔT₀为锂离子电池表面六个温度传感器所测得温度差的平均值；所述步骤b)中放电前后锂离子电池的温度差ΔT₁为锂离子电池表面六个温度传感器所测得温度差的平均值，放电前后绝缘导热层的温度差ΔT₂为绝缘导热层内六个温度传感器所测得温度差的平均值。

4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池比热容测试方法，其特征在于：

所述步骤b)中的绝缘导热层由以下方法制得，将在表面安装好温度传感器的锂离子电池置于容器中，容器内壁距锂离子电池各个表面的距离为0.5～1.0cm，然后向容器中倒入绝缘导热硅胶，并在绝缘导热硅胶中安置温度传感器，等绝缘导热硅胶固化后剥离容器制得绝缘导热硅胶层，并在绝缘导热硅胶层外安装隔热层。

5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池比热容测试方法，其特征在于：

所述的绝缘导热硅胶为导热灌封硅胶。

6.一种如权利要求1至5任一所述的锂离子电池充放电产热量的计算方法，其特征在于：其由以下公式计算获得，Q＝C_p·m·ΔT，其中Q为充放电所产生的热量，C_p为锂离子电池比热容，其由权利要求1～5所述锂离子电池比热容测试方法测试计算获得，m为锂离子电池的质量，ΔT为锂离子电池充放电前后温度差。