CN111610450A - 一种锂离子电池充电产热来源的估算方法 - Google Patents

一种锂离子电池充电产热来源的估算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池充电产热来源的估算方法，在一定温度和倍率条件下，对电池进行恒流恒压充电测试、混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试以及电动势温度变化系数dE/dT的测试；基于HPPC充电测试结果进行参数辨识，并将辨识结果同电动势温度变化系数dE/dT一起与SOC拟合；将各参数拟合结果输入在COMSOL中建立的电池有限元模型中，进行仿真验证，根据仿真结果可绘出各热源产生的热功率变化图，对各热源进行时间积分可得各热源在整个充电过程中产生的热量及其占比。

Description

一种锂离子电池充电产热来源的估算方法
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池充电产热来源的估算方法。
背景技术
由传统燃油汽车尾气排放直接或间接造成的温室效应、雾霾、酸雨以及臭氧层空洞等环境污染问题已经严重影响到人类的生存环境，而新能源汽车能够替代传统燃油汽车较好地解决能源枯竭与环境污染问题。在新能源汽车领域，锂离子电池因具有比能量高、循环寿命长等优点已得到广泛应用，但是其安全性方面暴露的问题也引起社会的广泛关注。统计显示，电动汽车在充电过程中发生的热失控事故在总事故中占很高的比例。
锂电池的安全性是锂电池的重要性能之一，通过实验与仿真明确锂离子电池在不同充电条件下的生热规律及各生热源产生的热功率的变化，可以有效地指导电池热管理系统的设计，提高电池的安全性，为电池在电动汽车上高效、安全运行提供科学的理论依据。
目前，国内外已通过实验和多种模型对锂离子电池放电过程的生热规律进行了实验和仿真研究，但对充电过程中生热规律及各热源大小的变化研究较少。
发明内容
本发明目的在于提供一种锂离子电池充电产热来源的估算方法，以锂离子电池充电测试的参数辨识结果为基础，计算电池生热功率来分析锂离子电池充电过程中各热源大小的变化和生热规律。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种锂离子电池充电产热来源的估算方法，包括以下步骤：
1)在一定温度和倍率条件下，对电池进行恒流恒压充电测试、混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试以及电动势温度变化系数dE/dT的测试；
2)对恒流恒压充电测试与混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试所得数据进行整理，对欧姆内阻、极化内阻参数进行辨识，通过欧姆内阻R0、极化内阻Rp1和Rp2辨识结果以及电动势温度变化系数dE/dT计算得到电池充电过程的生热功率；
Figure BDA0002531669470000021
其中，q为单位体积电池的热功率，V为电池体积，I为电池充放电电流大小，T为电池温度；
3)在多物理场仿真软件COMSOL中根据电池的几何参数建立电池几何模型，将欧姆内阻R0和极化内阻Rp1和Rp2辨识结果与电池SOC拟合后输入COMSOL模型中作为电池欧姆热和极化热的来源；将所测电动势温度变化系数dE/dT与SOC进行拟合后输入COMSOL模型中作为电池反应热来源；在COMSOL中绘制各热源产生的热功率随时间的变化，明确各热源的变化规律，利用时间积分算子timeint(t1,t2,expr)计算出各热源在充电过程中的总生热量；
4)电池表面与环境的换热采用第三类边界条件，将生热功率方程中计算所得热功率q代入导热方程进行瞬态计算，取电池表面实际测量温度值与电池相同位置处温度仿真结果进行对比，验证仿真的准确性；
其中，电池产生的热量的传递过程用三维非稳态导热微分方程来描述，所述导热方程：
Figure BDA0002531669470000022
式中，ρ表示电池密度；Cp表示电池比热容；λr、
Figure BDA0002531669470000023
与λz分别表示电池活性材料中的径向、周向与轴向导热系数。
按上述方案，步骤1中待测电池需在常温环境中静置达到热平衡，之后保持环境温度不变进行标准恒流放电至截止电压，然后静置1h。
按上述方案，步骤1中恒流恒压充电测试、混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试以及电动势温度变化系数dE/dT的测试包括以下步骤：
1)将热电偶贴在电池表面中心，并将待测电池与电池充放电系统的夹具连接后置于恒温箱中；
2)将恒温箱门关闭，连接好线路，同时编辑好所进行测试的工步；
3)设置恒温箱参数，待温度稳定后，启动充放电测试系统开始测试。
按上述方案，步骤2中基于二阶Thevenin等效电路模型对电池欧姆内阻、极化内阻参数进行辨识。
按上述方案，步骤4中所述电池比热容Cp及导热系数λx、λy、λz为电池内正负极材料、电解质、隔膜以及正负极集流体材料的比热容及导热系数分别进行加权平均所得。
本发明相对于现有技术的有益效果在于：
在COMSOL中绘制各热源产生的热功率随时间的变化，可明确各热源的变化规律，利用时间积分算子timeint(t1,t2,expr)可计算出各热源在充电过程中的总生热量，从而明确各生热因素对总生热的贡献。
通过实验与仿真分析结合的方式估算出锂离子电池充电过程电池各热源热功率的大小及其对总产热的贡献。
电池生热规律和电池生热因素的变化对电池热管理系统具有非常重要的意义；所以本发明在电池热管理领域具有一定的应用前景。
附图说明
图1：20℃下0.5C倍率充电时热电偶所测电池温度与仿真结果对比图；
图2：30℃下1.0C倍率充电时热电偶所测电池温度与仿真结果对比图；
图3：20℃下0.5C各热源生热功率及总生热功率随时间的变化曲线图；
图4：30℃下1.0C各热源生热功率及总生热功率随时间的变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
以18650三元锂离子电池在20℃下0.5C倍率充电过程为例对一种锂离子电池充电产热来源的估算方法进行介绍，该方法包括以下步骤：
一、实验平台
基于恒温箱和电池充放电系统：所述恒温箱是包括温度探头、制冷压缩机、热风机、带门的箱体，可保持温箱内的温度保持恒定。所述电池充放电测试系统不仅可以按照指定充电方式对电池进行充电，还能够记录充放电过程中的端电压、电流及电池表面温度等参数。用于测量电池温度的热电偶用胶带贴在电池表面中心。实验设备连接简图如图1所示。
二、实验方法
测试开始前，不仅需要检查线路是否正确连接各实验设备是否能够正常工作，还需在台式计算机中编辑好充放电测试的工步。
1.恒流恒压充电测试
首先将电池置于常温环境中2.5h，使电池与环境达到热平衡。之后在该环境温度下进行标准恒流放电至截止电压，即将电池放空，然后静置1h，其中标准恒流放电倍率大小为0.2C，放电截止电压为2.0V。随后将电池置于恒温箱中，设定恒温箱温度为20℃，待温箱温度稳定后，类似地，电池在温箱中静置2.5h使电池与环境达到热平衡。启动电池充放电测试系统，系统读取测试工步后以0.5C倍率充电电流对电池进行恒流恒压充电，充电过程中计算机负责记录电池端电压、充电电流大小以及电池表面温度参数随时间的变化，恒流充电的截止电压为4.2V，恒压充电的截止电流为0.13A。
2.混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试
20℃下0.5C倍率混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试的准备工作与恒流恒压充电测试准备工作相同，即在常温环境中静置2.5h，使电池与环境达到热平衡，随后以标准恒流放电将电池容量放空并静置1h。随后将电池置于恒温箱中，设定恒温箱温度为20℃，待温箱温度稳定后，类似地，待电池在温箱中静置2.5h使电池与环境达到热平衡后，启动电池充放电测试系统对电池进行混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试，具体步骤包括：
1)以0.5C倍率恒流充电10s；
2)恒流充电10s完成后，电池搁置1min；
3)搁置完成后，再以0.5C倍率恒流放电10s；
4)恒流放电10s完成后，电池搁置1min；
5)以0.5C倍率对电池进行充电，到一定SOC点，如果充电电压达到4.2V截止电压时，采用0.5C恒压充电；
6)静置15min；
工步1到工步6进行循环，循环次数设置为10次；
循环结束，测试完成。
3.电动势温度变化系数dE/dT测试
电动势温度变化系数dE/dT测试前准备工作同上，待电池在温箱中静置2.5h使电池与环境达到热平衡后，启动电池充放电测试系统对电池进行电动势温度变化系数dE/dT的测试，具体步骤包括：以0.5C恒定倍率电流给电池充电，充电至一定SOC点后，将电池在20℃环境温度下静置5h，同时测量电池开路电压，静置完成后将环境温度降低10℃，静置5h，同时测量电池开路电压，利用dE/dT可求得此SOC点处的电动势温度变化系数。重复以上过程，测量电池在不同SOC值处的电动势温度变化系数。
三、参数辨识与仿真研究
对20℃下0.5C倍率恒流恒压充电测试与混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试所得数据进行整理。基于二阶等效电路模型对电池端电压、欧姆内阻、极化内阻等参数进行辨识。同时在COMSOL软件中根据锂离子电池的直径、长度、芯轴半径和壳体厚度的几何参数，在COMSOL软件中建立电池几何模型。将欧姆内阻R0和极化内阻Rp1和Rp2辨识结果与电池SOC拟合后输入COMSOL模型中作为电池欧姆热和极化热的来源。类似地，将所测电动势温度变化系数dE/dT与SOC进行拟合后输入COMSOL模型中作为电池反应热来源。此时，电池充电过程的生热功率可表示为：
Figure BDA0002531669470000051
其中q为单位体积电池的热功率，V为电池体积，I为电池充放电电流大小，T为电池温度。此外模型中还需输入电池活性材料、芯轴以及壳体材料的比热容、密度、导热系数。其中活性材料区域的比热容、密度、导热系数均采用加权平均计算而得，计算式分别为：
Figure BDA0002531669470000052
式中,各部分材料的比热容为Cpi，单电池中不同层的厚度为Li。
Figure BDA0002531669470000053
式中,各部分材料的比热容为ρi，单电池中不同层的厚度为Li。由于实验中电池整体温度变化不大，此处假设电池内部材料的导热系数不受温度变化影响且各向同性。电池沿轴向和周向导热性可根据传热学中串并联热阻的原理看作不同材料的导热性能的并联。同理，电池沿径向的热流可看作不同材料导热性能的串联。
Figure BDA0002531669470000061
Figure BDA0002531669470000062
式中，单电池中不同层的厚度为Li；不同层材料的导热系数为Ki。同时设置电池传热的边界条件为第三类边界条件即给定任一时刻电池表面的传热系数与外界空气的温度，此处考虑到电池工作的环境温度与温箱中风速的影响传热系数取为18W/(m2K)，外界空气的温度为温箱设置温度。电池密度ρ、比热容Cp以及电池内部活性材料沿径向、周向和轴向的导热系数λr、
Figure BDA0002531669470000064
λz在建模过程中均已完成设置后，COMSOL软件即可基于内置的导热微分方程对电池内部温度随时间的变化进行瞬态求解。
Figure BDA0002531669470000063
导热微分方程中单位体积电池的热功率q的值为以上热功率计算式所得结果。瞬态求解结果中包括电池内部每一点的温度变化，此时可导出仿真过程中热电偶所在位置处的温度变化与热电偶实验过程中所测温度变化进行对比。
为说明方法的适用性，此处给出20℃下0.5C及30℃下1.0C倍率两组不同温度不同倍率恒流恒压充电实验的研究结果。
图1和图2为以上两组实验测试中粘贴在电池表面中心的热电偶所测电池温度与仿真结果对比图。从中可以看出，在充电过程中，电池表面温度随充电的进行出现三个峰值。同时20℃下0.5C倍率充电时，电池表面中心处所测温度由293.95K升至最高295.55K，30℃下1.0C倍率充电时，电池表面中心处所测温度由303.75K升至最高305.35K，而两组实验的仿真结果与实验所测温度随时间的变化基本吻合，最大误差不超过0.4K。由于仿真模型建立时存在条件简化，因此仿真结果具有一定误差，但总体误差较小，说明了电池热模型的有效性。
基于以上研究结果，在COMSOL中绘制电池在两组实验过程中各热源生热功率及总生热功率随时间的变化曲线图如图3和图4所示，从图中可以看出，欧姆热和极化热产生的热功率为正，且总体呈现随着充电的进行而逐渐减小的趋势。整体上看欧姆内阻产生的热功率高于浓差极化内阻及电化学极化内阻产生的热功率。反应热产生的热功率为负，即充电过程中反应热表现为吸热，同时反应热产生的热功率在充电过程中上下波动，对电池在20℃下0.5C倍率及30℃下1.0C倍率充电过程中的总热功率的波动有较大影响。
为明确各热源产生的热功率对电池充电过程生热的贡献，在COMSOL仿真结果中使用timeint(t1,t2,expr)算子对各热源产生的热功率在时间段t1到t2进行积分，积分结果如表1所示。从表中可以看出，电池在20℃下0.5C倍率充电过程中欧姆内阻产生的总热量最多为234.09J，占比达到71.18％；电化学极化和浓差极化内阻产生的总热量分别为59.34J和127.02J，其占比分别为18.04％和38.62％；而反应热产生的总热量为-91.58J，占比为-27.85％。而在30℃下1.0C倍率充电过程中欧姆内阻产生的总热量也最多，达378.93J，占比为76.03％；电化学极化和浓差极化内阻产生的总热量分别为56.52J和193.05J，其占比分别为11.34％和38.73％；而反应热产生的总热量为-130.10J，占比为-26.10％。
表1
Figure BDA0002531669470000071
以上所述的实施例只是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出各种变形和改进，均应落入本发明权力要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种锂离子电池充电产热来源的估算方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在一定温度和倍率条件下，对电池进行恒流恒压充电测试、混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试以及电动势温度变化系数dE/dT的测试；
2)对恒流恒压充电测试与混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试所得数据进行整理，对欧姆内阻、极化内阻参数进行辨识，通过欧姆内阻R0、极化内阻Rp1和Rp2辨识结果以及电动势温度变化系数dE/dT计算得到电池充电过程的生热功率；
Figure FDA0002531669460000011
其中，q为单位体积电池的热功率，V为电池体积，I为电池充放电电流大小，T为电池温度；
3)在多物理场仿真软件COMSOL中根据电池的几何参数建立电池几何模型，将欧姆内阻R0和极化内阻Rp1和Rp2辨识结果与电池SOC拟合后输入COMSOL模型中作为电池欧姆热和极化热的来源；将所测电动势温度变化系数dE/dT与SOC进行拟合后输入COMSOL模型中作为电池反应热来源；在COMSOL中绘制各热源产生的热功率随时间的变化，明确各热源的变化规律，利用时间积分算子timeint(t1,t2,expr)计算出各热源在充电过程中的总生热量；
4)电池表面与环境的换热采用第三类边界条件，将生热功率方程中计算所得热功率q代入导热方程进行瞬态计算，取电池表面实际测量温度值与电池相同位置处温度仿真结果进行对比，验证仿真的准确性；
其中，电池产生的热量的传递过程用三维非稳态导热微分方程来描述，所述导热方程：
Figure FDA0002531669460000012
式中，ρ表示电池密度；Cp表示电池比热容；λr、
Figure FDA0002531669460000013
与λz分别表示电池活性材料中的径向、周向与轴向导热系数。
2.如权利要求1所述锂离子电池充电产热来源的估算方法，其特征在于步骤1中待测电池需在常温环境中静置达到热平衡，之后保持环境温度不变进行标准恒流放电至截止电压，然后静置1h。
3.如权利要求1所述锂离子电池充电产热来源的估算方法，其特征在于步骤1中恒流恒压充电测试、混合动力脉冲能力特性HPPC充电测试以及电动势温度变化系数dE/dT的测试包括以下步骤：
1)将热电偶贴在电池表面中心，并将待测电池与电池充放电系统的夹具连接后置于恒温箱中；
2)将恒温箱门关闭，连接好线路，同时编辑好所进行测试的工步；
3)设置恒温箱参数，待温度稳定后，启动充放电测试系统开始测试。
4.如权利要求1所述锂离子电池充电产热来源的估算方法，其特征在于步骤2中基于二阶Thevenin等效电路模型对电池欧姆内阻、极化内阻参数进行辨识。
5.如权利要求1所述锂离子电池充电产热来源的估算方法，其特征在于步骤4中所述电池比热容Cp及导热系数λx、λy、λz为电池内正负极材料、电解质、隔膜以及正负极集流体材料的比热容及导热系数分别进行加权平均所得。
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