CN114374010B - 一种圆柱形锂离子电池产热量测量方法 - Google Patents

一种圆柱形锂离子电池产热量测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种圆柱形锂离子电池产热量测量方法，涉及锂离子电池热管理技术领域。所述方法基于圆柱形电池内外温度测量，通过集总参数热模型计算产热量。本发明提供的测量方法测得的产热数据更接近锂离子电池的实际使用状况，并且可以测量锂离子电池高倍率运行下的产热量。本发明提供的测量方法所需成本较低，更经济方便。

Description

一种圆柱形锂离子电池产热量测量方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池热管理技术领域，具体涉及一种圆柱形锂离子电池产热量测量方法。
背景技术
锂离子电池在电动汽车、航空航天和工业应用方面越来越受欢迎。锂离子电池具有能量密度高、功率因数高、循环寿命长、自放电率低、稳定性好、无记忆效应等优点。但是，工作温度对电池性能影响很大。由于化学反应、内阻和产生极化热，电池的内热不断积累。因此，在操作中需要电池热管理系统。由于电池热管理设计的需要，锂离子电池的产热量越来越受到重视。
目前，大多数电池热相关研究使用商用绝热量热仪(ARC)来测试电池的产热量。ARC配备了温度测量系统和加热控制系统用于营造绝热环境。当使用ARC对电池进行产热测量时，其工作原理是根据实时监测到的电池温度来控制腔体温度的上升，使电池与腔体之间不能进行热交换。因此产生的热量可以充分体现在电池本身的温升上，然后根据温升数据计算电池产热量。然而使用ARC只能测量电池在绝热条件下的产热量，这与通常有散热的电池实际使用场景有所不同。在绝热条件下，电池温度更容易升高，由于电池电化学系统的特性，温度对电池内阻有很大的影响，进而影响产热。因此ARC测量的产热结果在应用中可能存在较大偏差，例如在电动汽车的电池热管理设计中。此外由于ARC中电池的温升远远高于有散热的普通环境，电池在高倍率运行时的温度很容易超过安全温度上限。
发明内容
传统的锂离子电池产热量测量方法所采用的测试环境与电池实际使用场景差异较大，且较难测量电池高倍率运行时的产热量，此外通常测试成本昂贵。本发明目的在于提供了一种圆柱形锂离子电池产热量测量方法，方法新颖，克服了传统方法的弊端，在电池与外界环境存在换热的场景下，通过测量电池的内外温度，结合集总参数热模型进一步获得电池产热量，更接近电池的实际使用场景，且适用于测量高倍率运行下锂离子电池产热情况。
本发明的一种圆柱形锂离子电池产热量测量方法，具体方法为：
第一步，改造圆柱形锂离子电池，内嵌温度传感器用于测定电池内部温度，在电池外表面设置温度检测点用于测定电池表面温度；第二步，建立集总参数热模型，测量圆柱形锂离子电池表面温度与电池内部温度；
第三步，根据集总参数热模型计算获得圆柱形锂离子电池产热量。
作为本发明的优选方案，所述圆柱形电池表面温度为电池外表面中心点的温度，电池表面中心点位于圆柱形电池高度一半处。
作为本发明的优选方案，所述圆柱形电池内部温度为圆柱形电池中轴线中点位置的温度。
作为本发明的优选方案，建立集总参数热模型。模型表达式为：
其中，表示电池产热率；/>表示电池表面散热率；Tc表示电池内部温度；Ts表示电池表面温度；Tabm表示电池所处的环境温度；Cp表示电池热容；Rout表示电池外部换热热阻；Rin表示电池内部传热热阻。通过实验确定集总参数热模型中圆柱形锂离子电池内部传热热阻Rin与电池热容Cp。
作为本发明的优选方案，根据所测得圆柱形锂离子电池表面与内部温度计算获得产热量。
本发明的有益效果:本发明提供的圆柱形锂离子电池产热量测量方法，方法新颖，适用于风冷、液冷等散热环境下的电池产热量测试，与现有技术相比，更接近电池实际工作环境，且能测量电池高倍率运行下的产热情况，此外还可以降低测量成本。
附图说明
图1为本发明提出的圆柱形锂离子电池产热量测量方法流程图。
图2为本发明提供方法建立的圆柱形锂离子电池集总参数热模型。
图3为1C倍率放电下电池表面与内部温度变化图。
图4为2C倍率放电下电池表面与内部温度变化图。
图5为1C倍率放电下恒温箱中电池与ARC中电池的产热功率比较图。
图6为2C倍率放电下恒温箱中电池的产热功率图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步说明。
本发明提供的一种圆柱形锂离子电池产热量测量方法，实施流程如图1所示：以下通过具体实例说明本发明的实施方式：
第一步，选取一圆柱形锂离子电池作为研究对象，改造电池，在手套箱氩气氛围中，于电池负极端金属壳中心打孔，将标定好的温度传感器嵌入电池中央并密封，在电池外表面中心点贴温度传感器，实现电池内外温度监测。
第二步，由于圆柱形电池内部的层状卷绕结构，其轴向导热系数远高于径向导热系数，根据这一特性，可以对圆柱形电池简化建立集总参数热模型集总参数热模型如图2所示，模型表达式为：
其中，表示电池产热率；/>表示电池表面散热率；Tc表示电池内部温度；Ts表示电池表面温度；Tabm表示电池所处的环境温度；Cp表示电池热容；Rout表示电池外部换热热阻；Rin表示电池内部传热热阻。通过实验确定集总参数热模型中圆柱形锂离子电池内部传热热阻Rin与电池热容Cp。
由公式(1)可见，若能测得电池内部温度Tc和表面温度Ts，同时Cp和Rin已知，则可以直接计算得到电池的产热量
通过实验确定电池集总参数热模型参数Cp和Rin，具体步骤为：
在25℃恒温箱中对电池进行脉冲放电，同时记录电池的内部温度和表面温度。读取电压电流数据，由于电能完全转化为热能，电功率稳定后的平均值为1.274W，即为电池的产热功率。电池的产热和散热平衡后温度状态维持稳定，电池的内部温度稳定在40℃，表面温度稳定在39℃，通过公式(2)可以计算得电池内部传热热阻为Rin＝0.785K/W，由于环境温度始终维持在25℃，可以根据公式(2)得到电池外部换热热阻为Rout＝10.989K/W。脉冲放电结束后，电池在空气自然对流换热条件下冷却，根据集总参数热模型，利用电池内部温度的降温曲线即可标定电池的热容，算得热容为Cp＝49J/K。
测量电池放电过程中的内部温度Tc和表面温度Ts：在25℃恒温箱中对流换热条件下，分别对电池进行1C倍率与2C倍率放电，同时测量圆柱形电池内外温度。电池1C倍率放电测温结果如图3所示；2C倍率放电测温结果如图4所示。
第三步，利用已知参数以及测得的内外温度数据，根据集总参数模型中的公式(1)，计算得到在1C倍率放电过程中，该圆柱形锂离子电池在恒温箱对流换热环境中的产热功率变化曲线如图5所示，图中还绘制了在绝热量热仪(ARC)绝热环境中测得的产热功率曲线，由于绝热量热仪中的初始温度为25℃，与恒温箱温度一致，因此电池放电初期两种方法测得的产热功率曲线较为接近，但随着时间推移，绝热环境中电池温升会显著高于对流换热环境中的电池温升，由于电池内阻受温度影响，高温下电池内阻减小，而内阻直接影响产热。因此图5中表现出电池放电后期在绝热量热仪中测得的产热功率与本发明采用的方法在恒温箱对流换热环境中测得的产热功率差距较大，使用本发明测量方法所测得圆柱形电池产热功率整体高于绝热量热仪的测量结果。本发明的测量方法其原理基于简易热模型，由于该热模型忽略了电池上下顶面的热损失，因此理论上本发明测得的电池产热结果会略低于实际产热量，但相比绝热量热仪绝热环境中测得的结果更接近电池实际运行情况。
此外本发明的方法具有可以测量电池高倍率运行产热量的优势，根据图4所示电池2C放电时的内外温度数据，通过集总参数模型得到受试电池2C放电倍率下的产热功率如图6所示。与现有技术相比，本实施例方法新颖，成本花费低，产热测量结果与电池实际运行情况接近，能更好的指导电池热管理设计。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以有各种修改。凡在本发明的的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含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量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，改造圆柱形锂离子电池，内嵌温度传感器用于测定电池内部温度，在电池外表面设置温度检测点用于测定电池表面温度；
第二步，建立集总参数热模型，测量圆柱形锂离子电池表面温度与电池内部温度；
集总参数热模型表达式为：
其中，表示电池产热率；/>表示电池表面散热率；Tc表示电池内部温度；Ts表示电池表面温度；Tabm表示电池所处的环境温度；Cp表示电池热容；Rout表示电池外部换热热阻；Rin表示电池内部传热热阻；
通过实验确定集总参数热模型参数中的内部传热热阻和热容；
所述的通过实验确定集总参数热模型参数中的内部传热热阻和热容具体为：
在恒温箱中对电池进行脉冲放电，同时记录电池的内部温度和表面温度；读取电压电流数据，由于电能完全转化为热能，可根据电功率稳定后的平均值得到电池的产热功率；
电池的产热和散热平衡后温度状态维持稳定，可根据电池的内部温度和表面温度，通过公式(2)计算得电池内部传热热阻Rin，由于恒温箱中环境温度固定，可以根据公式(2)得到电池外部换热热阻为Rout；脉冲放电结束后，电池在空气自然对流换热条件下冷却，根据集总参数热模型以及已知参数，利用电池内部温度的降温曲线即可标定电池热容Cp；
第三步，根据集总参数热模型计算获得圆柱形锂离子电池产热量。
2.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子电池产热量测量方法，其特征在于：第一步所述电池表面温度为电池外表面中心点的温度，电池外表面中心点位于圆柱形电池高度一半处。
3.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子电池产热量测量方法，其特征在于：第一步所述电池内部温度为圆柱形电池中轴线中点位置的温度。
4.根据权利要求1所述的圆柱形锂离子电池产热量测量方法，其特征在于：利用圆柱形电池内外测温数据，通过电池集总参数热模型计算获得电池产热量。
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