CN113189491A - 一种圆柱形锂离子电池产热速率的分析方法 - Google Patents

一种圆柱形锂离子电池产热速率的分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种圆柱形锂离子电池产热速率的分析方法，包括以下步骤：选定测量电池，确定电池热参数；将电池放入绝热加速量热仪进行充放电循环或者进行热失控实验，得到中心温度的实验值T’C与表面温度的实验值T’w；建立一维非稳态数学模型，求解热源项，将得到每个迭代步中计算得到的中心温度TC输入模型中，通过不断迭代源项，直到计算得到的中心温度TC逼近中心温度的实验值T’C，跳入下一个时间步长；将计算得到的边界温度Tw与表面温度的实验值T’w进行比较，如果计算得到的边界温度Tw逼近表面温度的实验值T’w，则求得的产热速率即为真实电池的产热速率，否则对上述步骤进行迭代，直至得到产热速率。

Description

一种圆柱形锂离子电池产热速率的分析方法
技术领域
本发明属于电池领域，涉及一种圆柱形锂离子电池产热速率的分析方法。
背景技术
目前圆柱型锂离子电池被广泛应用在便携电子设备，电动汽车以及储能电站等重要领域，同时应用场景对锂离子电池规模与工作倍率的要求日益提高。但是大规模锂离子电池在高倍率工作状态下会产生大量的热量，造成电池温度的快速升高。由于锂离子电池在高温下容量极易发生容量衰减，同时存在热失控的风险，因此，大规模锂离子电池在较高的充放电倍率下的热管理问题与热失控问题逐渐成为研究的热点。为了保证锂离子电池在一个合适的温度区间内工作并且降低其危险性，必须设计与之匹配的热管理系统与热失控抑制系统。设计两者的前提是需要求解目标电池在工作过程中或者热失控过程中产生热量的大小，因此，计算电池的产热速率是锂离子电池的热管理系统或热失控系统设计的关键问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种圆柱型锂离子电池产热速率分析方法。通过测量锂离子电池中心温度，可以求得锂离子电池在充放电过程或者热失控过程中产生的产热速率。
本发明采用了以下技术方案：
一种圆柱形锂离子电池产热速率分析方法，包括以下步骤：
步骤一，选定测量电池，确定电池热参数；
步骤二，将电池放入绝热加速量热仪进行充放电循环或者进行热失控实验，得到中心温度的实验值T’C与表面温度的实验值T’w；
步骤三，建立一维非稳态数学模型，求解热源项，将每一步迭代计算得到的中心温度TC输入模型中，通过不断迭代源项，直到计算得到的中心温度TC逼近中心温度的实验值T’C，跳入下一个时间步长；
步骤四，将计算得到的边界温度Tw与表面温度的实验值T’w进行比较，如果计算得到的边界温度Tw逼近表面温度的实验值T’w，则求得的产热速率即为电池真实的产热速率，否则对上述步骤进行迭代，直至得到产热速率。
本发明的有益效果为：通过该测量方法，能够快速求出热源，进而得到产热功率，为热管理与热失控抑制系统的设计提供了标准与依据。
附图说明
图1为本发明一种锂离子电池热失控建模方法流程图；
图2为本发明的实施例一中所测得的中心温度与表面温度；
图3为本发明的实施例一中所测得的温度与计算温度对比；
图4为本发明的实施例一中所测得产热速率随时间的变化。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致的描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
如图1所示，一种圆柱形锂离子电池产热速率计算方法，包括以下步骤：
步骤一，选定测量电池，确定电池热参数；
步骤二，将电池放入绝热加速量热仪进行充放电循环或者进行热失控实验，得到中心温度的实验值T’C与表面温度的实验值T’w；
步骤三，建立一维非稳态数学模型，求解热源项，将每一步迭代得到的中心温度TC输入模型中，通过不断迭代源项，直到计算得到的中心温度TC逼近中心温度的实验值T’C，跳入下一个时间步长；
步骤四，将计算得到的边界温度Tw与表面温度的实验值T’w进行比较，如果计算得到的边界温度Tw逼近表面温度的实验值T’w，则求得的产热速率即为真实电池的产热速率，否则对上述步骤进行迭代，直至得到产热速率。
进一步地，步骤一中，所述的电池为圆柱形锂离子电池，例如所述的电池为三元锂离子电池。电池热参数包括圆柱形锂离子电池密度ρ(kg/m3)、比热容Cp(J/(kg·K))、径向导热系数λ(W/m/K)和对流换热系数h(W/(m2·K))。
进一步地，步骤二中，在绝热加速量热仪中进行充放电循环或者进行热失控实验，有利于准确获得中心温度与表面温度的实验值。
进一步地，步骤三具体步骤为求解一维非稳态圆柱坐标系下传热问题的热源项。
进一步地，步骤三中，所建立一维非稳态数学模型为：一维非稳态圆柱坐标系能量方程如下：
Figure BDA0003073282520000031
其中，ρ为圆柱形锂离子电池的密度(kg/m3)；c为比热容(J/(kg·K))；λ为径向的导热系数(W/m/K)；r为圆柱形锂离子电池半径，单位为m；T为控制体温度，单位为K；Q(t)为产热速率，单位为W/m3；
边界条件为：
Figure BDA0003073282520000032
qw＝h(Tw-T∞)
qw、Tw和T∞分别表示边界热流、表面温度、环境温度，单位分别是W/m2、K和K。将控制方程与边界条件在求解域上进行离散，采用全隐式的离散方法，使用高斯赛德尔方法求解离散得到的代数方程式，通过不断迭代Q(t)，当计算得到的中心温度TC与中心温度的实验值T’C之差小于0.1K时，即认为计算得到的Q(t)为真实值。其中所述迭代的方法为：在一个时间步长内，如果计算得到的中心温度TC大于中心温度的实验值T’C时，则在源项上增加1000W/m3；反之如果计算得到的中心温度TC小于中心温度的实验值T’C时，则在源项上减小1000W/m3，直到TC-T’C<0.1小于0.1℃。
实施例一
以商用18650，2.6Ah的三元锂离子电池为例，对该锂离子电池进行以7.8A进行放电、详细地对本发明作出描述，该优化方法不只局限于对该电池进行充放电，也适用于热失控工况的建立。方法的建立分为四个步骤部分：
步骤一，选定测量电池为100％荷电量的2.6Ah三元锂离子电池为研究对象，测量电池密度ρ(kg/m3)、比热容Cp(J/(kg·K))、径向导热系数λ(W/m/K)和对流换热系数h(W/(m2·K))，所测量结果如表1所示。之后，对该电池以7.8安培电流进行放电；
表1.电池热参数
参数 符号 单位 数值
比热容 Cp J/(kg·K) 958.5
密度 ρ kg/m<sup>3</sup> 2700
径向导热系数 λ W/m/K 0.19
对流换热系数 h W/(m<sup>2</sup>·K) 7
步骤二，使用游标卡尺对两根热电偶进行测量，在其50毫米处标记，接着使用1.5毫米打孔器在电池底部进行打孔处理，将其中一根热电偶通过电池底部的孔穿入电池中心内部50毫米处，后使用高温胶将热电偶进行封装，之后搁置12小时，使得高温胶固化。之后将另一根热电偶贴附在电池表面，保证两根热电偶的轴向测量点在处于电池的同一条半径方向；并在电池正负极焊接镍片，使用导线与充放电循环仪(新威)连接。将电池放入绝热加速量热仪(仰仪，TAC-500)进行7.8安培放电实验，得到中心温度的实验值T’C与表面温度的实验值T’w，如图2所示；
步骤三，按照建立一维非稳态数学模型，求解热源项，将得到的中心温度输入模型中，通过不断迭代源项，直到计算得到的中心温度TC逼近中心温度的实验值T’C，跳入下一个时间步长，将求解出来的中心温度与实验进行比较，如图3所示，求解出的中心温度逼近实验得到的中心温度，其差值小于0.1℃；所建立一维非稳态数学模型为：一维非稳态圆柱坐标系能量方程如下：
Figure BDA0003073282520000041
其中，ρ，c，λ分别为圆柱形锂离子电池的密度(kg/m3)，比热容(J/(kg·K))，与径向的导热系数(W/m/K)，r，T与Q(t)分别为圆柱形锂离子电池的半径，控制体温度，与圆柱形锂离子电池的产热速率，单位分别为m，K与W/m3。
边界条件为：
Figure BDA0003073282520000042
qw＝h(Tw-T∞)
qw、Tw和T∞分别表示边界热流，边界温度，环境温度，单位分别是W/m2,K和K。将控制方程与边界条件在求解域上进行离散，由于该问题的非线性，采用全隐式的离散方法，使用高斯赛德尔方法求解离散得到的代数方程式，通过不断迭代Q(t)，得出满足实验中心温度的Q(t)。其中所述迭代的方法为：在一个时间步长内，如果计算得到的中心温度TC大于中心温度的实验值T’C时，则在源项上增加1000W/m3；反之如果计算得到的中心温度TC小于中心温度的实验值T’C时，则在源项上减小1000W/m3，直到TC-T’C<0.1小于0.1℃。
步骤四，如图3所示，将求解出来的边界温度与实验测量的边界温度进行比较，解得温度值逼近实验测量值，则求得的产热速率即为真实电池的产热速率，图4给出了7.8A放电过程中的产热速率变化，根据其变化可以为该放电倍率下热管理系统的散热能力提供设计依据，从而实现散热与能耗的统一。
需要说明的是，按照本发明上述各实施例，本领域技术人员是完全可以实现本发明独立权利要求及从属权利的全部范围的，实现过程及方法同上述各实施例；且本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种圆柱形锂离子电池产热速率分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，选定测量电池，确定电池热参数；
步骤二，将电池放入绝热加速量热仪进行充放电循环或者进行热失控实验，得到中心温度的实验值T’C与表面温度的实验值T’w；
步骤三，建立一维非稳态数学模型，求解热源项，将每一步迭代计算得到的中心温度TC输入模型中，通过不断迭代源项，直到求解出来的中心温度TC逼近中心温度的实验值T’C，跳入下一个时间步长；
步骤四，将计算得到的边界温度Tw与表面温度的实验值T’w进行比较，如果计算得到的边界温度Tw逼近表面温度的实验值T’w，则求得的产热速率即为真实电池的产热速率，否则对上述步骤进行迭代，直至得到产热速率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：电池热参数包括圆柱形锂离子电池密度ρ、比热容Cp、径向导热系数λ和对流换热系数h。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三具体步骤为求解一维非稳态圆柱坐标系下传热问题的热源项，一维非稳态圆柱坐标系能量方程如下：
Figure FDA0003073282510000011
其中，ρ为圆柱形锂离子电池的密度，单位是kg/m3；c为比热容，单位是J/(kg·K)；λ为径向的导热系数，单位是W/m/K；r为圆柱形锂离子电池半径，单位是m；T为控制单元温度，单位是K；Q(t)为热源即产热速率，单位是W/m3；
边界条件为：
Figure FDA0003073282510000012
qw＝h(Tw-T∞)
qw、Tw和T∞分别表示边界热流，边界温度，环境温度，单位分别是W/m2,K和K；将控制方程与边界条件在求解域上进行离散，采用全隐式的离散方法，使用高斯赛德尔方法求解离散得到的代数方程式，通过不断迭代Q(t)，当求出中心温度与实验测得中心温度之差小于0.1K时，即认为计算得到的Q(t)为真实值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤三中的迭代方法：在一个时间步长内，如果计算得到的中心温度TC大于中心温度的实验值T’C时，则在源项上增加1000W/m3,反之如果计算得到的中心温度TC小于中心温度的实验值T’C时，则在源项上减小1000W/m3，直到两者温差小于0.1℃。
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