CN114883680A - 一种锂离子电池温熵系数测量方法 - Google Patents

一种锂离子电池温熵系数测量方法 Download PDF

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罗英
吕桃林
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Shanghai Institute of Space Power Sources
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Abstract

本发明公开了一种锂离子电池温熵系数测量方法，包括：在恒温环境下，获取被测锂离子电池的实时开路电压、恒温实时放电容量、随荷电状态变化的实时开路电压；在绝热环境下，获取被测锂离子电池的实时电压、绝热实时放电容量、累计放电时间、实时温度、随荷电状态变化的实时电压、随荷电状态变化的绝热温升速率；根据随荷电状态变化的实时开路电压、随荷电状态变化的实时电压、随荷电状态变化的绝热温升速率，确定实时温熵系数。本发明的测量方法可以通过计算得到锂离子电池在整个荷电状态范围内连续变化的温熵系数，且为一种简单高效的测量方法。

Description

一种锂离子电池温熵系数测量方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池热安全技术领域，更具体的涉及一种锂离子电池温熵系数测量方法。
背景技术
锂离子电池的广泛应用极大的方便了人们的生活，特别是电动汽车的普及，在给人们带来更舒适的出行体验之外，也大大降低了对能源的消耗。但是，电动汽车的安全问题也日益突出，严重影响了锂离子电池的发展。电动汽车安全问题主要由于电池的安全问题引起，而电池的安全问题很大程度上来源于电池在工作过程中的产热问题。因此锂离子电池的产热问题成为电动车安全的关键所在。
建立锂离子电池充放电过程中的产热模型可以为锂离子电池热管理系统提供参考。锂离子电池的产热分为可逆热和不可逆热两部分。不可逆热可以通过测量电池内阻获取，可逆热的计算则需要获得所研究电池的温熵系数。传统的锂离子电池的温熵系数通过开路电压法来获得，其具体方法为，通过测试得到电池在某一特定荷电状态下开路电压随温度变化的斜率，即所测电池在该荷电状态下的温熵系数。这种方法只能得到电池在特定荷电状态下的温熵系数，而无法获取电池在整个荷电状态范围内连续变化的温熵系数值。另外，这种方法需要耗费大量的测试时间，极大的影响了研究效率。
发明内容
本发明实施例提供一种锂离子电池温熵系数测量方法，用以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明实施例提供一种锂离子电池温熵系数测量方法，包括：
在恒温环境下，获取被测锂离子电池的实时开路电压、恒温实时放电容量；
根据恒温实时放电容量，获得恒温实时荷电状态；并将实时开路电压和恒温实时荷电状态对应，获得随荷电状态变化的实时开路电压；
在绝热环境下，获取被测锂离子电池的实时电压、绝热实时放电容量、累计放电时间、实时温度；
将实时温度对累计放电时间求导，获得绝热温升速率；
根据绝热实时放电容量，获得恒温实时荷电状态；并将实时电压和恒温实时荷电状态对应，获得随荷电状态变化的实时电压，及将绝热温升速率和恒温实时荷电状态对应，获得随荷电状态变化的绝热温升速率；
根据随荷电状态变化的实时开路电压、随荷电状态变化的实时电压、随荷电状态变化的绝热温升速率，确定实时温熵系数。
进一步地，所述获取被测锂离子电池的实时开路电压、恒温实时放电容量，具体包括：
将被测电池置于恒温环境中，设置一个初始温度值T0，并保持足够长时间以使被测锂离子电池与恒温环境达到热平衡；
对被测锂离子电池在T0温度环境下进行充放电循环活化后，充电至满电态并静置足够长时间使被测锂离子电池达到平衡状态；
对满电态的被测锂离子电池在T0温度下以1/25C倍率进行恒流放电，当被测锂离子电池的电压达到放电截止电压后终止放电，记录放电i时刻的实时开路电压、恒温实时放电容量。
进一步地，所述恒温实时荷电状态为：
Figure BDA0003664617430000021
其中，Q0为恒温整个放电过程的实际总放电容量；Q0,i为恒温放电至第i时刻时的实际放电总容量。
进一步地，所述随荷电状态变化的实时开路电压
Figure BDA0003664617430000031
为：
Figure BDA0003664617430000032
其中，UOCV，i为实时开路电压。
进一步地，所述获取被测锂离子电池的实时电压、绝热实时放电容量、累计放电时间、实时温度，具体包括：
将被测锂离子电池置于绝热环境中，记录被测锂离子电池的实时温度；
调整被测锂离子电池的初始温度与绝热环境温度一致；
将被测锂离子电池从满电态进行恒流放电，当被测锂离子电池的电压达到放电截至电压后终止放电，记录放电i时刻被测锂离子电池的实时电压、绝热实时放电容量、累计放电时间、实时温度。
进一步地，所述绝热实时荷电状态为：
Figure BDA0003664617430000033
其中，Q1为绝热环境下整个放电过程的实际总放电容量；Q1,i为绝热环境下放电至第i时刻时的实际放电总容量。
进一步地，所述随荷电状态变化的实时电压
Figure BDA0003664617430000034
为：
Figure BDA0003664617430000035
其中，U1，i为实时电压。
进一步地，所述随荷电状态变化的绝热温升速率
Figure BDA0003664617430000036
为：
Figure BDA0003664617430000037
其中，dTdti为绝热温升速率。
进一步地，所述实时温熵系数为：
Figure BDA0003664617430000038
其中，T1，i-1为i-1时刻时被测锂离子电池的温度；I1为绝热环境下放电电流；M为被测锂离子电池的质量；Cp为被测锂离子电池的比热容；
Figure BDA0003664617430000039
为随荷电状态变化的实时开路电压；
Figure BDA0003664617430000041
为随荷电状态变化的实时电压；
Figure BDA0003664617430000042
为随荷电状态变化的绝热温升速率。
本发明实施例提供一种锂离子电池温熵系数测量方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
本发明通过记录锂离子电池在绝热环境下的温升速率，结合锂离子电池恒温下的开路电压以及绝热条件下的放电电压数据，可以通过计算得到锂离子电池在整个荷电状态范围内连续变化的温熵系数。本发明为锂离子电池温熵系数的测量提供了一种简单高效的途径，节约了测试时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种锂离子电池温熵系数测量方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的被测锂离子电池随荷电状态SOC变化的电压和温升速率示意图；
图3为本发明实施例提供的实施例1得到的18650圆柱电池的温熵系数结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例提供一种锂离子电池温熵系数测量方法，该方法包括：
步骤S1，在恒温环境下，获取被测锂离子电池的实时开路电压、恒温实时放电容量。
步骤S2，根据恒温实时放电容量，获得恒温实时荷电状态；并将实时开路电压和恒温实时荷电状态对应，获得随荷电状态变化的实时开路电压。
步骤S3，在绝热环境下，获取被测锂离子电池的实时电压、绝热实时放电容量、累计放电时间、实时温度。
步骤S4，将实时温度对累计放电时间求导，获得绝热温升速率。
步骤S5，根据绝热实时放电容量，获得恒温实时荷电状态；并将实时电压和恒温实时荷电状态对应，获得随荷电状态变化的实时电压，及将绝热温升速率和恒温实时荷电状态对应，获得随荷电状态变化的绝热温升速率。
步骤S6，根据随荷电状态变化的实时开路电压、随荷电状态变化的实时电压、随荷电状态变化的绝热温升速率，确定实时温熵系数。
对于上述步骤S1～S6的具体说明如下：
对于步骤S1:
获取被测锂离子电池，将被测电池分别连接充放电测试仪和电压采集设备；将被测电池置于恒温环境中，设置一个初始温度值T0，并保持足够长时间以使所述被测锂离子电池与所述恒温环境之间达到热平衡；对被测电池在T0温度下进行充放电循环活化后，充电至满电态并静置足够长时间使电池达到平衡状态；对上述满电态的被测锂离子电池在T0温度下以1/25C倍率(对应的放电电流为
Figure BDA0003664617430000051
Q为被测锂离子电池的额定容量)进行恒流放电，当电池电压达到放电截止电压后终止放电，实时记录放电第i时刻的电压UOCV，i和放电容量Q0，i。
需要说明的是，本发明中的被测锂离子电池为18650型圆柱电池，其正极材料为LiNi0。8Co0。15Al0。05O2(NCA)，负极材料为石墨。本发明中电池充放电测试仪选用Neware，电压采集设备选用Neware。恒温环境应能够保证在特定温度下保持不变，作为优选，本发明中采用恒温箱提供恒温环境，恒温箱的温度可以调节，恒温箱采用银河高低温试验箱。本发明中初始温度T0为锂离子电池规定的工作温度，作为优选，初始温度T0取25℃。本发明中采用1/25C倍率进行放电，但不局限于此，也可以采取其他适合的放电电流。放电截至电压为规定的被测锂离子电池的放电截至电压。电池与环境达到热平衡指电池与环境温度差不高于0.1℃。
对于步骤S2:
对被测锂离子电池的放电过程，计算其荷电状态的实时值
Figure BDA0003664617430000061
其中，Q0为整个放电过程的实际总放电容量，Q0，i为放电至第i时刻的实际放电容量。
对被测锂离子电池放电过程，将获得的实时开路电压UOCV，i与实时荷电状态对应，即
Figure BDA0003664617430000062
得到被测锂离子电池随荷电状态SOC变化的开路电压
Figure BDA0003664617430000063
对于步骤S3:
将被测锂离子电池置于绝热环境中，在其表面布置温度传感器，并于温度采集设备相连，实时记录被测锂离子电池温度；调整所述被测锂离子电池初始温度与绝热环境温度一致且均为T0；将被测锂离子电池从满电态以较低电流I1进行恒流放电，当电池电压达到放电截至电压后终止放电，实时记录放电第i时刻被测锂离子电池的电压U1，i，放电容量Q1，i，累计放电时间ti以及温度T1，i。
需要说明的是，本发明中绝热环境指电池与环境之间没有热量交换，即电池产生的热量全部被电池自身吸收，其应保证环境与被测锂离子电池的温度之差不高于0.05℃。优选地，绝热环境由加速量热仪(简称ARC，下同)提供。本发明中对温度传感器和温度采集设备种类不做具体限定，作为优选，温度传感器采用ARC，温度采集设备采用ARC。
对于步骤S4:
将被测锂离子电池在绝热环境下放电的实时温度T1对放电时间t求导，得到锂离子电池放电时的实时绝热温升速率dTdti。
对于步骤S5:
对被测锂离子电池的放电过程，计算其荷电状态的实时值
Figure BDA0003664617430000071
其中，Q1为整个放电过程的实际总放电容量，Q1，i为放电至第i时刻的实际放电容量。
对被测锂离子电池放电过程，将获得的实时电压U1，i与实时SOCi对应，即
Figure BDA0003664617430000072
将锂离子电池放电时的实时绝热温升速率dTdti与实时SOCi对应，即
Figure BDA0003664617430000073
得到被测锂离子电池随荷电状态SOC变化的电压
Figure BDA0003664617430000074
和温升速率
Figure BDA0003664617430000075
对于步骤S6:
通过下式计算被测锂离子电池的温熵系数:
Figure BDA0003664617430000076
其中，T1，i-1为i-1时刻时被测锂离子电池的温度；I1为绝热环境下放电电流；M为被测锂离子电池的质量；Cp为被测锂离子电池的比热容；
Figure BDA0003664617430000077
为随荷电状态变化的实时开路电压；
Figure BDA0003664617430000078
为随荷电状态变化的实时电压；
Figure BDA0003664617430000079
为随荷电状态变化的绝热温升速率。
需要说明的是，被测锂离子电池的质量M和比热容Cp由锂离子电池供应商提供，但不仅限于此，应当明确，本领域技术人员也可以直接通过测试获得质量M和比热容Cp，在此不再赘述。
实施例1
一种锂离子电池温熵系数的测量方法，包含以下步骤：
1、提供被测锂离子电池，作为优选，所述锂离子电池选取18650型圆柱电池，其正极材料为LiNi0。8Co0。15Al0。05O2(NCA)，负极材料为石墨。
2、将所述被测锂离子电池与电池充放电测试仪Neware相连。
3、将所述被测锂离子电池放置在银河高低温试验箱中，设置初始温度T0为25℃，静置12小时。
4、将所述被测锂离子电池在T0温度下以0.6A电流充放电循环3次后，再以0.6A电流恒流充电至4.2V，静置时间不低于2小时。
5、将将所述被测锂离子电池在T0温度下以1/25C倍率(对应放电电流I0为0.12A)进行恒流放电，当电池电压达到放电截至电压2.5V后终止放电，实时记录放电第i时刻的电压UOCV，i和放电容量Q0，i。
6、对被测锂离子电池的放电过程，计算其荷电状态的实时值
Figure BDA0003664617430000081
其中，Q0为整个放电过程的实际总放电容量，Q0，i为放电至第i时刻的实际放电容量。
7、对上述被测锂离子电池放电过程，将获得的实时开路电压UOCV，i与实时荷电状态对应，即
Figure BDA0003664617430000082
得到被测锂离子电池随SOC变化的开路电压
Figure BDA0003664617430000083
8、将所述被测锂离子电池置于ARC中，在其表面布置热电偶，通过ARC实时记录被测锂离子电池温度。
9、调整所述被测锂离子电池初始温度与ARC腔体温度均为25℃，并且ARC腔体温度与被测锂离子电池温度之差不高于0.05℃；
10、将所述被测锂离子电池从满电态以电流I1＝0.6A进行恒流放电，当电池电压达到放电截至电压2.5V后终止放电，实时记录放电第i时刻被测锂离子电池的电压U1，i，放电容量Q1，i，累计放电时间ti以及温度T1，i。
11、对被测锂离子电池的放电过程，计算荷电状态的实时值
Figure BDA0003664617430000084
其中，Q1为整个放电过程的实际总放电容量，Q1，i为放电至第i时刻的实际放电容量。
12、将被测锂离子电池在绝热环境下放电的实时温度T1对放电时间t求导，得到所述锂离子电池放电时的实时绝热温升速率dTdti。
13、对被测锂离子电池放电过程，将获得的实时电压U1，i与实时SOCi对应，即
Figure BDA0003664617430000091
将所述锂离子电池放电时的实时绝热温升速率dTdti与实时SOCi对应，即
Figure BDA0003664617430000092
得到被测锂离子电池随荷电状态SOC变化的电压
Figure BDA0003664617430000093
和温升速率
Figure BDA0003664617430000094
如图2所示。
14、从电池制造商处获取被测锂离子电池的质量M为65.0g，比热容Cp为0.9654J/(g·K)-1。
15、通过下式计算被测锂离子电池的温熵系数，结果如图3所示：
Figure BDA0003664617430000095
其中，T1，i-1为i-1时刻时被测锂离子电池的温度；I1为绝热环境下放电电流；M为被测锂离子电池的质量；Cp为被测锂离子电池的比热容；
Figure BDA0003664617430000096
为随荷电状态变化的实时开路电压；
Figure BDA0003664617430000097
为随荷电状态变化的实时电压；
Figure BDA0003664617430000098
为随荷电状态变化的绝热温升速率。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种锂离子电池温熵系数测量方法，其特征在于，包括：
在恒温环境下，获取被测锂离子电池的实时开路电压、恒温实时放电容量；
根据恒温实时放电容量，获得恒温实时荷电状态；并将实时开路电压和恒温实时荷电状态对应，获得随荷电状态变化的实时开路电压
Figure FDA0003664617420000017
在绝热环境下，获取被测锂离子电池的实时电压、绝热实时放电容量、累计放电时间、实时温度；
将实时温度对累计放电时间求导，获得绝热温升速率；
根据绝热实时放电容量，获得恒温实时荷电状态；并将实时电压和恒温实时荷电状态对应，获得随荷电状态变化的实时电压
Figure FDA0003664617420000012
及将绝热温升速率和恒温实时荷电状态对应，获得随荷电状态变化的绝热温升速率
Figure FDA0003664617420000013
根据随荷电状态变化的实时开路电压
Figure FDA0003664617420000014
随荷电状态变化的实时电压
Figure FDA0003664617420000015
随荷电状态变化的绝热温升速率
Figure FDA0003664617420000016
确定实时温熵系数。
2.如权利要求1所述的锂离子电池温熵系数测量方法，其特征在于，所述获取被测锂离子电池的实时开路电压、恒温实时放电容量，具体包括：
将被测电池置于恒温环境中，设置一个初始温度值T0，并保持足够长时间以使被测锂离子电池与恒温环境达到热平衡；
对被测锂离子电池在T0温度环境下进行充放电循环活化后，充电至满电态并静置足够长时间使被测锂离子电池达到平衡状态；
对满电态的被测锂离子电池在T0温度下以1/25C倍率进行恒流放电，当被测锂离子电池的电压达到放电截止电压后终止放电，记录放电i时刻的实时开路电压、恒温实时放电容量。
3.如权利要求2所述的锂离子电池温熵系数测量方法，其特征在于，所述恒温实时荷电状态为：
Figure FDA0003664617420000011
其中，Q0为恒温整个放电过程的实际总放电容量；Q0,i为恒温放电至第i时刻时的实际放电总容量。
4.如权利要求3所述的锂离子电池温熵系数测量方法，其特征在于，所述随荷电状态变化的实时开路电压
Figure FDA0003664617420000022
为：
Figure FDA0003664617420000023
其中，UOCV，i为实时开路电压。
5.如权利要求1所述的锂离子电池温熵系数测量方法，其特征在于，所述获取被测锂离子电池的实时电压、绝热实时放电容量、累计放电时间、实时温度，具体包括：
将被测锂离子电池置于绝热环境中，记录被测锂离子电池的实时温度；
调整被测锂离子电池的初始温度与绝热环境温度一致；
将被测锂离子电池从满电态进行恒流放电，当被测锂离子电池的电压达到放电截至电压后终止放电，记录放电i时刻被测锂离子电池的实时电压、绝热实时放电容量、累计放电时间、实时温度。
6.如权利要求5所述的锂离子电池温熵系数测量方法，其特征在于，所述绝热实时荷电状态为：
Figure FDA0003664617420000021
其中，Q1为绝热环境下整个放电过程的实际总放电容量；Q1,i为绝热环境下放电至第i时刻时的实际放电总容量。
7.如权利要求6所述的锂离子电池温熵系数测量方法，其特征在于，所述随荷电状态变化的实时电压
Figure FDA0003664617420000024
为：
Figure FDA0003664617420000025
其中，U1，i为实时电压。
8.如权利要求6所述的锂离子电池温熵系数测量方法，其特征在于，所述随荷电状态变化的绝热温升速率
Figure FDA0003664617420000026
为：
Figure FDA0003664617420000031
其中，dTdti为绝热温升速率。
9.如权利要求1所述的锂离子电池温熵系数测量方法，其特征在于，所述实时温熵系数为：
Figure FDA0003664617420000032
其中，T1，i-1为i-1时刻时被测锂离子电池的温度；I1为绝热环境下放电电流；M为被测锂离子电池的质量；Cp为被测锂离子电池的比热容；
Figure FDA0003664617420000033
为随荷电状态变化的实时开路电压；
Figure FDA0003664617420000034
为随荷电状态变化的实时电压；
Figure FDA0003664617420000035
为随荷电状态变化的绝热温升速率。
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