CN111044922A - 一种锂离子电池在环境箱内散热均匀性的测试方法 - Google Patents

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刘施阳
栗敬敬
方彦彦
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唐玲
崔义
张杭
暴新建
张潇华
闫坤
高哲峰
王琳
张明
张向军
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Abstract

本发明提供一种对锂离子电池在环境箱内散热均匀性的测试方法，通过构建参数模型，执行曲线拟合，从拟合结果可以得到电池在不同位置处的实际换热系数h′值，在加载条件下，为明确不同位置处电池散热环境的均匀性，准确测试电池性能，确保平行样测试结果的一致性，本发明采用对流换热系数这个参数的差异评价电池在加载条件下环境箱内的均匀性。

Description

一种锂离子电池在环境箱内散热均匀性的测试方法
技术领域
本发明属于电池参数测量领域，尤其涉及锂离子电池在环境箱内散热均匀性的测试方法。
背景技术
锂离子电池作为电动汽车的主要动力来源，其工作性能受温度的影响较为严重，且随着电池比能量的提高，电池的性能对温度的敏感性增加。
电池在测试过程中，为严格控制环境温度，通常将电池放置于环境箱中，而环境箱内不同位置的对流环境(即温度)受进口、出口排风位置和箱体尺寸大小的影响而不同，温度均匀性是评价环境箱的重要技术指标。环境箱内的温度的均匀性的测量通常是在空载状态下，设备容积小于2m3时，通过九点法布放热电偶的差值进行评价(JJF1101-2013)，而在加载条件下，即电池测试过程中，环境箱内不同位置处散热环境的差异(如上下层之间)，可能造成对温度较敏感的电池的性能差异，如平行样电池的一致性等问题。
检测标准通常在环境箱空载状态下，即无产热的条件下，通过环境箱上、中、下不同位置布放热电偶的差值评价环境箱内的温度分布的均匀性，而在环境箱内加载电池，并且负载电流的条件下，环境箱内不同位置处的温度变化，同时受产热和散热的综合影响。因此，仅通过电池表面温度的变化评价环境箱内不同位置处的散热差异具有一定的局限性，且电池表面温度传感器具有一定的迟滞性。
对流换热系数是单位面积上，流体与壁面之间在单位温差下及单位时间内所能传递的热量，其大小表征对流换热过程的强弱程度，是评价对流散热过程的主要参数。因此，如何在加载条件下，明确不同位置处电池的换热系数大小，对准确测得电池性能和一致性评价尤为重要，且以对流换热系数评价加载条件下环境箱内的均匀性更具实际意义。
发明内容
本发明的目的在加载条件下，为明确不同位置处电池散热环境的均匀性，准确测试电池性能，确保平行样间的一致性，本发明采用对流换热系数这个参数的差异测试电池在加载条件下环境箱内的均匀性。
本发发明提供一种锂离子电池在环境箱内散热均匀性的测试方法，所述方法包括:
步骤一、在环境箱中的测试位置放置电池，将满电态电池放空电，获取静置条件下，各个不同位置下，时间与温度关系变化曲线，依据公式T＝Tamb+Be-h’t进行曲线拟合，从拟合结果中获得实际热交换系数h′；其中Tamb为环境温度，B为加权系数，t为时间参数，T电池表面温度参数；
步骤二、根据获得的实际热交换系数h′，依据公式
Figure BDA0002350978230000021
求得电池的热交换系数h,其中m为电池的质量，Cp,m是电池的比热容,A为电池的表面积。
步骤三、比较不同位置的电池的对流换热系数值，获得加载条件下电池布放位置处环境箱的散热均匀性。
优选，整个测试过程中，不同位置处均使用同一支电池进行测试。
优选，环境箱内包含层间支架，将电池分两次放置于环境箱中的上层和下层，首先测试上层位置，即在电池表面正极极耳附近、中心点和负极极耳附近三个点分别布放热电偶，记录三个点处的实时温度变化；下层位置，对该电池进行同样操作。
优选，设定环境箱温度为25℃，静置30min，确保电池整体温度与环境箱内温度一致。
优选，将满电态池放空电，按照标准充电方式，以恒流恒压方式进行充电，充满电后，静止1h，再以1C进行放电，静置时间为3～5h。
优选，对比不同位置处，电池的对流换热系数值，得出加载条件下电池布放位置处环境箱的均匀性。
优选，采用同一支电池对不同类型的环境箱(如进风口和出风口位置不同等)进行相同加载条件下的试验，验证从该方法中获取换热系数，并明确加载条件下环境箱的均匀性。
优选，根据该换热系数的均匀度或差异程度，调整环境箱内部电池的摆放位置，确保电池测试结果的准确性和一致性。
本发明的该方法在加载条件下，明确不同位置处电池的换热系数大小，可通过该参数的差异性，根据进风口或出风口的位置，调整电池在环境箱内的布放位置，从而准确评价平行样电池的一致性，且以对流换热系数评价加载条件下环境箱或某一封闭空间内的均匀性相比温度更具敏感性和实际意义。
附图说明
图1环境箱结构示意图及电池布放图；
图2电池在1C放电结束后静置条件下温度变化的实验与拟合结果对比图；
图3调整后电池布放图；
图4更换环境箱后的结构示意图及电池布放图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。为确保测试电池散热均匀，从而达到测试性能一致的目的，本发明提出一种新的评价方法，采用换热系数参数评价电池在环境箱内加载条件下的散热的均匀性。电池在加载测试条件下环境箱或某一空间内的散热均匀性的评价方法；采用对流换热系数的差异作为环境箱内散热均匀性的评价参数。
为能够明确电池加载条件下环境箱的散热均匀性，确保测试电池性能的一致性，本发明提出一种新的测试方法，包括：
根据能量守恒定律，锂离子电池在放电过程中的产热、散热能量平衡公式可表示为：
Figure BDA0002350978230000041
其中m为电池的质量(kg)，Cp,m是电池的比热容(J/kg K)，T池的表面温度(K)，t为时间(s)，h为与外界的换热系数(W/m2K)，A为电池的表面积(m2)，Tamb为环境温度(K),Q为电池的总产热率(W)。
当忽略由于化学反应引起的副反应热和由于电池内部离子浓度梯度变化产生的混合热，电池的总产热可以表示为由于电化学反应引起的产热，即可逆反应热，和由电池内部欧姆损失、界面电荷转移及传质损失产生的过电位热，即不可逆阻抗热，如公式(2)所示，
Figure BDA0002350978230000042
其中Qr为电池的可逆反应产热率(W)，Qirr为电池的不可逆阻抗产热率(W)，I为电流(A)，T为电池的温度(K)，dU/dT为开路电压温度系数(V K-1)，又称为熵热系数。U是开路电压(V)，V是工作电压(V)。
则由公式(1)和(2)可得：
Figure BDA0002350978230000043
Figure BDA0002350978230000051
式中，
Figure BDA0002350978230000052
本发明通过拟合放电结束后电池在不同对流的静置条件下的温度曲线获得换热系数h。当电池放电结束，电流为0时，公式(4)简化为：
Figure BDA0002350978230000053
对公式(5)两边积分得：
T＝Tamb+Be-h't (6)
整个测试过程中，不同位置处均使用同一支电池进行测试。环境箱内包含层间支架，将电池分两次放置于环境箱中的上层和下层，如图1所示。首先测试上层位置，即在电池表面正极极耳附近、中心点和负极极耳附近三个点分别布放热电偶，记录三个点处的实时温度变化；下层位置，对该电池进行同样操作。设定环境箱温度为25℃，静置30min，确保电池整体温度与环境箱内温度一致。
将电池余电放空，按照标准充电方式，以1C恒流恒压方式进行充电，充满电后，静止1h，再以1C进行放电，静置时间为3～5h。
提取放电结束后静置条件下的温度变化曲线，即温度随时间的变化关系曲线，如图2所示，并按照公式(6)进行曲线拟合，从拟合结果可以得到电池在不同位置处的实际换热系数h′值。
进一步根据公式(4)中的h′，求得电池的对流换热系数值h。
对比不同位置处，电池的对流换热系数值，得出加载条件下电池布放位置处环境箱的均匀性。为验证该方法的普适性，采用同一支电池对不同类型的环境箱(如进风口和出风口位置不同等)进行相同加载条件下的试验，验证从该方法中获取换热系数，并明确加载条件下环境箱的均匀性。
根据该换热系数的均匀度或差异程度，可调整环境箱内部电池的摆放位置，确保电池测试结果的准确性和一致性。
参见图1，采用防爆型高低温环境箱(台湾巨孚，ECT-112TR-40-CP-SD)放置待测电池，Bitrode充放电仪(美国必测，MCV16-50/10-5)提供电池加载测试条件，采用T型热电偶进行温度采集，充放电设备通过导线与防爆型高低温环境箱内待测电池连接，充放电设备连接有数据采集单元，数据采集单元连接有多个热电偶。测试过程为：
25℃条件下，采用一只电池分别在环境箱内布放至上层和下层，与充放电导线连接；
在电池表面正极极耳附近、中心点和负极极耳附近三个点分别布放热电偶，记录三个点处的实时温度变化；
静置30min，确保电池与环境箱内温度一致；
将满电态电池放至空电，按照标准充电方式，以1C恒流恒压方式进行充电，充满电后，静止1h，再以1C进行放电，静置时间为3～5h；
将放电结束后静置条件下的温度变化曲线进行拟合；
得到电池不同位置处的实际换热系数h′值；
根据公式(4)换算得到电池不同位置处的对流换热系数h，结果如表1所示。图1的标记为：1.环境箱2.出风口3.电池4.隔板5.进风口
表1图1环境箱内电池不同位置处与外界环境的换热系数h值(W/m2K)
Figure BDA0002350978230000061
将图1电池的布放位置进行调整，调整为如图3所示，则得到电池不同位置处的对流换热系数h，如表2所示。
表2图3环境箱内电池不同位置处与外界环境的换热系数h值(W/m2K)
Figure BDA0002350978230000071
如图4所示本实施例用于对比说明采用不同防爆型高低温环境箱(日本ESPEC，ADBC-T)对电池测试结果的差异性，仍采用Bitrode充放电仪(美国必测，MCV16-50/10-5)提供电池加载测试条件，测试过程与实施例1相同，电池不同位置处的对流换热系数h，如表3所示。
表3图4环境箱内电池不同位置处与外界环境的换热系数h值(W/m2K)
Figure BDA0002350978230000072
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
应当理解的是，本申请的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本申请的原理，而不构成对本申请的限制。因此，在不偏离本申请的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。此外，本申请所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种电池加载条件下环境箱的散热均匀性的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、在环境箱中的测试位置放置电池，将满电态的电池放至空电态，获取静置条件下，测量位置的温度与时间关系变化曲线，依据公式T＝Tamb+Be-h’t进行曲线拟合，从拟合结果中获得实际热交换系数h′，其中Tamb为环境温度，B为加权系数，t为时间，T为电池表面温度；
步骤二、根据获得的实际热交换系数h′，依据公式
Figure FDA0002350978220000011
求得电池的对流热交换系数h,其中m为电池的质量，Cp,m是电池的比热容,A为电池的表面积；
步骤三、比较不同测试位置的电池的对流换热系数h，获得加载条件下电池布放位置处环境箱的散热均匀性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在环境箱中的测试位置放置电池，将电池余电放空，具体为：按照标准充电方式，以恒流恒压方式进行充电，充满电后，静置1h，再以1C进行放电，静置时间为3～5h。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同的测试位置是使用同一支电池。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述环境箱设定为，环境箱温度为25℃，静置30min，电池整体温度与环境箱内温度一致。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在电池表面正极极耳附近、中心点和负极极耳附近三个点分别布放热电偶，记录三个点处的实时温度变化。
6.如权利要求1-5所述的方法，其特征在于，所述方法中的测试位置适用于不同类型的环境箱内电池的放置位置。
7.如权利要求1-5所述的方法，其特征在于，进一步包括步骤四，根据测量出的电池的对流热交换系数的均匀度，调整环境箱内部电池的摆放位置。
8.一种测量装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述存储器上的程序，用以实现权利要求1-7所述的任一方法。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现权利要求1-7任一所述的方法。
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