CN110376242A - 一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，包括：步骤S1：建立绝热环境下所述圆柱形动力电池比热容和径向热导率理论模型；步骤S2：记录所述圆柱形动力电池温度随时间的变化，标定所述圆柱形动力电池的热损；步骤S3：根据所述步骤S2的结果对所述步骤S1中理论模型进行优化，得到非绝热环境下所述圆柱形动力电池比热容和径向热导率模型，并开展实验测试。与现有技术相比，本发明具有效率高、精度高、易操作等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种比热容和径向热导率测试方法，尤其是涉及一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法。
背景技术
比热容和热导率是锂离子电池的重要热物性参数，二者分别表示了电池储存热量和传递热量的能力，测定该参数对管控电池的热场分布和提升车辆的可靠性具有重要意义。
申请公开号为CN 108170914A的发明专利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。该方法以18650锂离子电池为实验对象，首先在电池外侧面局部区域加载热源，测取电池特定部位的温变状况；其次通过数值分析方法求取实验设定工况下的电池的热场分布特性。在仿真工作开始前，电池的所有热物性参数均未知，需开展大量的数值仿真工作来试凑实验结果。此外，该方法所建二维仿真模型视电池为均质实体，不同于电池实际的多层卷绕式结构，故而其测试精度待商榷。
申请公开号为CN 109613055A的发明专利公开了一种圆柱电池径向导热系数的稳态测定方法与测定装置。该方法首先破除电池底部壳体，将加热棒植入电池中心对其加热，并致其温度场达到稳态；其次建立圆柱形电池径向热导率的数学计算模型，根据实测数据计算其径向热导率。采用该方法测试电池的热导率时，需破除电池壳体，将加热棒置于电池中心，实验过程较危险。此外，该方法仅能测得圆柱形电池的径向热导率，无法测其比热容。
除上述两篇专利提到的动力电池热物性参数测试方法外，中国专利201410847949.5公开了一种锂离子电池比热容的测定方法，申请公开号为CN 108732204A的发明专利公开了一种动力电池的比热容测试方法与装置。这两篇专利仅可用于解决方形动力电池的比热容测算问题，无法用于测算圆柱形动力电池的比热容和径向热导率。
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圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，包括：
步骤S1：建立绝热环境下所述圆柱形动力电池比热容和径向热导率理论模型；
步骤S2：记录所述圆柱形动力电池温度随时间的变化，标定所述圆柱形动力电池的热损；
步骤S3：根据所述步骤S2的结果对所述步骤S1中理论模型进行优化，得到非绝热环境下所述圆柱形动力电池比热容和径向热导率模型。
所述步骤S1具体过程为：
步骤S101：视所述圆柱形动力电池为均质实体，外侧面受热均匀，内侧面为绝热面，热传导过程为径向一维导热；
步骤S102：在所述圆柱形动力电池受热过程中，由能量守恒定律知qrAr＝cρVrdT/dt，当r分别等于所述圆柱形动力电池外半径Ro和内半径Ri时，可得数学表达式qRoRo-qrr和qRoRo-qRiRi。因所述圆柱形动力电池温度场达到准稳态时，温变率dT/dt各处相等，由此可得所述圆柱形动力电池比热容的表达式：
其中，c和ρ分别为所述圆柱形动力电池的比热容和密度，Ar和Vr分别为所述圆柱形动力电池半径r处的侧面积和体积，dT/dt为所述圆柱形动力电池温变率，Ri和Ro分别为所述圆柱形动力电池内外半径；
步骤S103：由傅里叶定律知qr＝–λrdT/dr，通过移项并对qr在热流传播路径r(Ri≤r≤Ro)上求定积分可得：
其中，λr为所述圆柱形动力电池的径向热导率，TRi和TRo分别为所述圆柱形动力电池内侧面温度和外侧面温度。
所述步骤S2具体过程为：
步骤S201：置所述圆柱形动力电池于近似绝热的环境中，设其初温与环境温度均为T0；
步骤S202：加热所述圆柱形动力电池，致其温度升至预设上限温度Tu时停止加热；
步骤S203：记录所述圆柱形动力电池的温降过程，拟合温降曲线与时间的多项式方程Tdrop(t)；
步骤S204：对方程Tdrop(t)一阶求导，得所述圆柱形动力电池的温降率dTdrop(t)/dt，记为Udrop；
步骤S205：计算所述圆柱形动力电池温降过程中自身温度T与环境温度T0间的温差ΔTdrop＝T–T0，拟合温降率Udrop与其函数方程Udrop(ΔTdrop)，得到“温降率–温差方程”；
步骤S206：设所述圆柱形动力电池质量为m，由能量守恒定律求得所述圆柱形动力电池热损与温差之间的函数方程cmUdrop(ΔTdrop)。
所述步骤S3具体过程为：
步骤S301：设所述圆柱形动力电池初温和环境温度均为T0；
步骤S302：以恒热流加热所述圆柱形电池外侧面；
步骤S303：记录所述圆柱形动力电池受热过程中的外侧面温度TRo和内侧面温度TRi；
步骤S304：当所述圆柱形动力电池温度趋于上限温度Tu时停止加热，记录加热时长t1；
步骤S305：分别计算所述圆柱形动力电池外侧面和内侧面温度与环境温度的温差，ΔTRo＝TRo–T0和ΔTRi＝TRi–T0；
步骤S306：将ΔTRo和ΔTRi代入“温降率–温差方程Udrop(ΔTdrop)”分别得所述圆柱形动力电池两侧面在受热阶段内的温降率Udrop(ΔTRo)和Udrop(ΔTRi)，拟合该温降率与时间t1的函数方程得URo-drop(t1)和URi-drop(t1)；
步骤307：由于存在热损，步骤S102中表达式所示所述圆柱形动力电池的理想温度场达到准稳态时温变率dT/dt会受到由热损引起的温降率Udrop(t1)的影响，因此所述圆柱形动力电池在非绝热工况下的比热容表达式为：
其中，Udrop(t1)为热损引起的温降率；
步骤S308：分别对方程URo-drop(t1)和URi-drop(t1)在0～t1时间上积分，得所述圆柱形动力电池内外侧面在受热阶段内由热损引起的温降幅度，和
步骤S309：由于热损的影响，步骤S103表达式中所示的所述圆柱形动力电池温度场在达到准稳态时内外侧面的温度TRi和TRo均会受到步骤S308中由热损引起的温降幅度的影响，则所述圆柱形动力电池在非绝热工况下的径向热导率表达式为：
其中，ΔTRi-drop和ΔTRo-drop分别为所述圆柱形动力电池内外侧面在受热阶段内由热损引起的温降幅度。
优选的，所述近似绝热环境由真空箱或保温材料提供。
优选的，所述圆柱形动力电池的初始温度和环境温度可由恒温箱提供。
所述上限温度Tu不高于所述圆柱形动力电池的安全工作温度。
优选的，所述步骤S302中以恒热流加热所述圆柱形动力电池时内外侧面的温差在5～20℃范围内。
优选的，所述圆柱形动力电池外侧面施加的热流由薄膜加热器提供，所述加热器质量不高于所述圆柱形动力电池总质量的5％。
优选的，所述圆柱形动力电池内侧温度通过破除底部或上端壳体，布置不低于两根热电偶于其内侧面测得，所述圆柱形动力电池外侧温度采用热电偶或红外热像仪监测其温变状况。
优选的，所述步骤S203中停止加热后，当所述圆柱形动力电池温度低于T0+5℃时停止试验。
优选的，所述步骤S304中所述圆柱形动力电池的受热时长不低于50s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.精度高：本发明所建立的圆柱形动力电池比热容和径向热导率理论计算模型考虑了热损的影响，相比于传统的不考虑热损测量电池的热物性参数，具有更高的测试精度。
2.效率高：本发明可同时测算圆柱形动力电池的比热容和径向热导率，相比于以往的仅能测试圆柱形动力电池的径向热导率而无法测其比热容，或须进行两次实验才能测取电池的比热容和热导率，该测试方法拥有较高的测试效率。
3.易操作：本发明提出的圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，在进行实验时采用保温材料包覆电池，内置温度传感器，然后在电池外侧面加热，容易实现且对电池性能影响较小。本方法不需要数值仿真计算过程，可直接测量热物性参数，更易操作。
附图说明
图1为本发明提供的测试方法的测算流程图；
图2为本发明实施例中21700圆柱形动力电池单体二维轴对称示意图；
图3为本发明实施例热损标定过程中21700圆柱形动力电池在近似绝热环境中的温降曲线图；
图4为本发明实施例中测试阶段21700圆柱形动力电池在近似绝热环境中外侧面均匀受热时的温升示意图；
图5为本发明实施例中实验测取的21700圆柱形动力电池比热容随温度变化的曲线图；
图6为本发明实施例中实验测取的21700圆柱形动力电池径向热导率随温度变化的曲线图。
附图标记：
1-热电偶；2-中心孔；3-外壳；4-内芯；5-薄膜加热器；TC-热电偶测点；Tavg-方形动力电池平均温度；T0-恒温箱炉温；TRo-外侧面平均温度；TRi-内侧面平均温度。
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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，包括：
步骤S1：建立绝热环境下圆柱形动力电池比热容和径向热导率理论模型；
步骤S2：记录圆柱形动力电池温度随时间的变化，标定圆柱形动力电池的热损；
步骤S3：根据步骤S2的结果对步骤S1中理论模型进行优化，得到非绝热环境下圆柱形动力电池比热容和径向热导率模型，并开展实验测试。
本实施例中，圆柱形动力电池型号为21700，正极材料为镍钴锰三元锂(Li(Ni0.8Co0.1Mn0.1)O2)，直径21.25mm，高度70mm，内孔径3.2mm，质量65.9g，标称容量4.8Ah。电池首先由厚度为30mm的气凝胶毡包裹，然后将其置于由珍珠棉制成的尺寸为30×30×30cm3的实心方形保温盒中心。
如图2所示，圆柱形动力电池在其外侧面中心部位布置一颗热电偶，在距电池底部10mm处布置一颗热电偶；同时在电池内侧面对应位置各布置一颗热电偶，热电偶外接安捷伦数据采集仪，用以读取测点温度；所使用的薄膜加热器发热功率受温度(-20℃～70℃)和电压(3V～15V)影响不高于0.5％。
圆柱形动力电池由恒温箱提供所需的环境温度和初始温度，在其测试前采用充放电设备将其SOC调至50％。
加热器所需要的电压由稳压电源提供，其精度为0.01V和0.001A。
圆柱形动力电池在测试过程中的最大温度不高于65℃。
步骤S1具体过程为：
步骤S101：视圆柱形动力电池为均质实体，外侧面受热均匀，内侧面为绝热面，热传导过程为径向一维导热，忽略圆柱形动力电池在受热过程中的自放热；
步骤S102：在圆柱形动力电池受热过程中，由能量守恒定律知qrAr＝cρVrdT/dt，当r分别等于圆柱形动力电池外半径Ro和内半径Ri时，可得数学表达式qRoRo-qrr和qRoRo-qRiRi。因圆柱形动力电池温度场达到准稳态时，温变率dT/dt各处相等，由此可得圆柱形动力电池比热容的表达式：
其中，c和ρ分别为圆柱形动力电池的比热容和密度，Ar和Vr分别为圆柱形动力电池半径r处的侧面积和体积，dT/dt为圆柱形动力电池温变率，Ri和Ro分别为圆柱形动力电池内外半径；
步骤S103：由傅里叶定律知qr＝–λrdT/dr，通过移项并对qr在热流传播路径r(Ri≤r≤Ro)上求定积分可得：
其中，λr为圆柱形动力电池的径向热导率，TRi和TRo分别为圆柱形动力电池内侧面温度和外侧面温度。
步骤S2具体过程为：
步骤S201：置圆柱形动力电池于近似绝热的环境中，炉温和电池初温为-35℃；
步骤S202：开启加热器以8.3W恒功率加热圆柱形动力电池，待其温度升至65℃时停止加热；
步骤S203：如图3所示，记录电池的温降过程，并将电池平均温度降至60℃时的时间记为0点，待其温度低于-30℃时停止实验；
步骤S204：拟合电池平均温度与时间的多项式方程Tdrop(t)：
Tdrop(t)＝3.421×10-15t4-1.523×10-10t3+2.671×10-6t2-2.333×10-2t+59.20；
对方程Tdrop(t)求一阶导数，得电池的温降率d Tdrop(t)/dt，记为Udrop：
Udrop＝13.696×10-15t3-4.569×10-10t2+5.342×10-6t-2.333×10-2；
步骤S205：计算圆柱形动力电池温降过程中自身温度T与环境温度T0间的温差ΔTdrop＝T–T0，拟合温降率Udrop与其函数方程Udrop(ΔTdrop)，得到“温降率–温差方程”：
Udrop(ΔTdrop)＝-2.58×10-4ΔTdrop+6.45×10-4；
步骤S206：设圆柱形动力电池质量为m，由能量守恒定律求得圆柱形动力电池热损与温差之间的函数方程cmUdrop(ΔTdrop)。
步骤S3具体过程为：
步骤S301：设圆柱形动力电池初温和恒温箱炉温为-35℃；
步骤S302：开启加热器以恒功率8.3W对圆柱形动力电池进行加热，致其温度升至65℃，如图4所示，电池温度场在110s前已达到准稳态；
步骤S303：记录圆柱形动力电池受热过程中的外侧面温度TRo和内侧面温度TRi；
步骤S304：当圆柱形动力电池温度趋于上限温度Tu时停止加热，记录加热时长t1；
步骤S305：分别计算圆柱形动力电池外侧面和内侧面温度与环境温度的温差，ΔTRo＝TRo–T0和ΔTRi＝TRi–T0；
步骤S306：将ΔTRo和ΔTRi代入“温降率–温差方程Udrop(ΔTdrop)”分别得圆柱形动力电池两侧面在受热阶段内的温降率Udrop(ΔTRo)和Udrop(ΔTRi)，拟合该温降率与时间t1的函数方程得URo-drop(t1)和URi-drop(t1)；
步骤307：由于存在热损，步骤S102中表达式所示圆柱形动力电池的理想温度场达到准稳态时温变率dT/dt会受到由热损引起的温降率Udrop(t1)的影响，因此圆柱形动力电池在非绝热工况下的比热容表达式为：
其中，Udrop(t1)为热损引起的温降率；
如图5所示，图中标注了三次圆柱形动力电池的比热容测算结果的偏差，由图5可知21700圆柱形电池的比热容随温度的升高呈线性增大。
步骤S308：分别对方程URo-drop(t1)和URi-drop(t1)在0～t1时间上积分，得圆柱形动力电池内外侧面在受热阶段内由热损引起的温降幅度，和
步骤S309：由于热损的影响，步骤S103表达式中所示的圆柱形动力电池温度场在达到准稳态时内外侧面的温度TRi和TRo均会受到步骤S309中由热损引起的温降幅度的影响，则圆柱形动力电池在非绝热工况下的径向热导率表达式为：
其中，ΔTRi-drop和ΔTRo-drop分别为圆柱形动力电池内外侧面在受热阶段内由热损引起的温降幅度。
如图6所示，图中标注了三次圆柱形动力电池的径向热导率测算结果的偏差，由图6可知21700圆柱形电池的径向热导率随温度的升高呈线性增大。
Claims (10)
1.一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，包括：
步骤S1：建立绝热环境下所述圆柱形动力电池比热容和径向热导率理论模型；
步骤S2：记录所述圆柱形动力电池温度随时间的变化，标定所述圆柱形动力电池的热损；
步骤S3：根据所述步骤S2的结果对所述步骤S1中理论模型进行优化，得到非绝热环境下所述圆柱形动力电池比热容和径向热导率模型，并开展实验测试。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，所述步骤S1具体过程为：
步骤S101：视所述圆柱形动力电池为均质实体，外侧面受热均匀，内侧面为绝热面，热传导过程为径向一维导热；
步骤S102：在所述圆柱形动力电池受热过程中，由能量守恒定律知qrAr＝cρVrdT/dt，当r分别等于所述圆柱形动力电池外半径Ro和内半径Ri时，可得数学表达式qRoRo-qrr和qRoRo-qRiRi。因所述圆柱形动力电池温度场达到准稳态时，温变率dT/dt各处相等，由此可得所述圆柱形动力电池比热容的表达式：
其中，c和ρ分别为所述圆柱形动力电池的比热容和密度，Ar和Vr分别为所述圆柱形动力电池半径r处的侧面积和体积，dT/dt为所述圆柱形动力电池温变率，Ri和Ro分别为所述圆柱形动力电池内外半径；
步骤S103：由傅里叶定律知qr＝–λrdT/dr，通过移项并对qr在热流传播路径r(Ri≤r≤Ro)上求定积分可得：
其中，λr为所述圆柱形动力电池的径向热导率，TRi和TRo分别为所述圆柱形动力电池内侧面温度和外侧面温度。
3.根据权利要求1所述的一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，所述步骤S2具体过程为：
步骤S201：置所述圆柱形动力电池于近似绝热的环境中，设其初温与环境温度均为T0；
步骤S202：加热所述圆柱形动力电池，致其温度升至预设上限温度Tu时停止加热；
步骤S203：记录所述圆柱形动力电池的温降过程，拟合温降曲线与时间的多项式方程Tdrop(t)；
步骤S204：对方程Tdrop(t)一阶求导，得所述圆柱形动力电池的温降率dTdrop(t)/dt，记为Udrop；
步骤S205：计算所述圆柱形动力电池温降过程中自身温度T与环境温度T0间的温差ΔTdrop＝T–T0，拟合温降率Udrop得到“温降率–温差方程”Udrop(ΔTdrop)；
步骤S206：设所述圆柱形动力电池质量为m，由能量守恒定律求得所述圆柱形动力电池热损与温差之间的函数方程cmUdrop(ΔTdrop)。
4.根据权利要求1所述的一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，所述步骤S3具体过程为：
步骤S301：设所述圆柱形动力电池初温和环境温度均为T0；
步骤S302：以恒热流加热所述圆柱形电池外侧面；
步骤S303：记录所述圆柱形动力电池受热过程中的外侧面温度TRo和内侧面温度TRi；
步骤S304：当所述圆柱形动力电池温度趋于上限温度Tu时停止加热，记录加热时长t1；
步骤S305：分别计算所述圆柱形动力电池外侧面和内侧面温度与环境温度的温差，ΔTRo＝TRo–T0和ΔTRi＝TRi–T0；
步骤S306：将ΔTRo和ΔTRi代入“温降率–温差方程Udrop(ΔTdrop)”分别得所述圆柱形动力电池两侧面在受热阶段内的温降率Udrop(ΔTRo)和Udrop(ΔTRi)，拟合该温降率与时间t1的函数方程得URo-drop(t1)和URi-drop(t1)；
步骤307：由于存在热损，步骤S102中表达式所示所述圆柱形动力电池的理想温度场达到准稳态时温变率dT/dt会受到由热损引起的温降率Udrop(t1)的影响，因此所述圆柱形动力电池在非绝热工况下的比热容表达式为：
其中，Udrop(t1)为热损引起的温降率；
步骤S308：分别对方程URo-drop(t1)和URi-drop(t1)在0～t1时间上积分，得所述圆柱形动力电池内外侧面在受热阶段内由热损引起的温降幅度，和
步骤S309：由于热损的影响，步骤S103表达式中所示的所述圆柱形动力电池温度场在达到准稳态时内外侧面的温度TRi和TRo均会受到步骤S308中由热损引起的温降幅度的影响，则所述圆柱形动力电池在非绝热工况下的径向热导率表达式为：
其中，ΔTRi-drop和ΔTRo-drop分别为所述圆柱形动力电池内外侧面在受热阶段内由热损引起的温降幅度。
5.根据权利要求3或4所述的一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，所述近似绝热环境由真空箱或保温材料提供，所述圆柱形动力电池的初始温度和环境温度可由恒温箱提供，所述上限温度Tu不高于所述圆柱形动力电池的安全工作温度。
6.根据权利要求4所述的一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，所述步骤S302中以恒热流加热所述圆柱形动力电池时内外侧面的温差在5～20℃范围内。
7.根据权利要求1所述的一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，所述圆柱形动力电池外侧面施加的热流由薄膜加热器提供，所述加热器质量不高于所述圆柱形动力电池总质量的5％。
8.根据权利要求1所述的一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，所述圆柱形动力电池内侧温度通过破除底部或上端壳体，布置不低于两根热电偶于其内侧面测得，所述圆柱形动力电池外侧温度采用热电偶或红外热像仪监测其温变状况。
9.根据权利要求3所述的一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，所述步骤S203中停止加热后，当所述圆柱形动力电池温度低于T0+5℃时停止试验。
10.根据权利要求4所述的一种圆柱形动力电池的比热容和径向热导率测试方法，其特征在于，所述步骤S304中所述圆柱形动力电池的受热时长不低于50s。
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