电池包电芯工作时的发热量主要由极化热、反应热、副反应热和焦耳热四部分组成。对于锂离子电池来说副反应生成热量极小,因此可以忽略不计,电池内部反应热量只需考虑剩下三部分热量:
电池充放电时的反应热 Q1 可以表示为:
式中:Q 为化学反应过程正负极产热量的代数和,单位KJ/mol;
I 为放电电流,单位A。
电芯内欧姆内阻Re 产生的焦耳热 Q2:
电芯内极化内阻Rp 产生的极化热 Q3:
在电池热管理仿真时,电池发热量的准确性是热仿真结果准确性的关键因素。那么如何通过测试来确定电池的发热量,下面介绍下几种主要的方法:
电池单体发热量测试方法及要求
预处理循环
正式测试开始前,动力电池单体需要先进行预处理循环。预处理循环在25℃环境舱进行,其步骤如下:
② 静置30min;
③ 使用1C或按照制造商推荐的放电机制放电至制造商规定的放电截至条件;
④ 静置30min;
⑤ 重复步骤①至步骤④5次。
电池状态初始化
电池放入绝热加速量热仪之前,在25℃环境仓进行电池状态初始化:
① 对于放电生热功率测试,在环境仓内对电池进行标准充电至满电状态(100%SOC);
② 对于充电生热功率测试,在环境仓内对电池进行标准放电至空电状态(0%SOC);
电池单体放电过程生热功率测试
准备3个动力电池单体,并按照如下步骤进行放电过程生热功率测试:
① 仪器校准和漂移测试:确保仪器已校准。如因环境温度变化较大或者试验结果偏差太大,需要对进行仪器重新校准和漂移测试。
② 将试验样品与充放电设备进行连接,在试验样品的外表面的几何中心处(如图1)粘贴温度传感器,将连接好的试验样品置于加速量热仪的绝热仓内铝制架上,封闭绝热仓;
图1 温度传感器位置示意图
③ 试验样品进行充电预处理循环,然后进行电池状态初始化,开启设备,保证试验样品处于绝热环境,设置等待时间,并按照步骤7.2.4静置;
④ 设定加速量热仪参数:设定试验目标温度,终止温度为Tmax1,温升灵敏度为0.02℃/min,数据采集时间间隔为30s或样品温度变化1℃;开启程序,保证试验样品处于绝热环境;
⑤ 绝热环境中,待试验样品和腔体内温度达到目标温度,试验样品开始以0.1C电流恒流放电;若放电过程中,试验样品的表面温度达到Tmax1,则试验结束;若放电结束时,试验样品的表面温度未达到Tmax1,继续以0.1C电流恒流放电至规定的放电截止电压,停止试验;
⑥ 重复步骤③~⑤,其中,步骤⑤放电电流分别依次为0.1C、0.3C、0.5C、0.7C、1.0C和Imax1;
⑦ 记录放电过程中试验样品的表面温度和温升速率(℃/min),测试结束后,按照P=Cp mΔT/t分别计算试验样品在不同倍率和不同温度下放电过程的生热功率P(W)(例如,试验样品以0.1C进行恒流放电,温度由20℃升至25℃计算得到的P,记为20℃温度下0.1C放电过程的生热量,将数据记录结果和数据处理结果填至附录表A1中。
准备3个动力电池单体,并按照如下步骤进行充电过程生热功率测试:
① 对试验样品的质量进行测量,记作质量m(kg);
② 将试验样品与充放电设备进行连接,在试验样品的外表面的几何中心处(如图1)粘贴温度传感器,将连接好的试验样品悬挂于加速量热仪的绝热仓内,封闭绝热仓;
③ 试验样品按照步骤8.1进行充电预处理循环,按8.2进行电池状态初始化,开启设备,保证试验样品处于绝热环境,设置等待时间,并按照步骤7.2.4静置;
④ 设定加速量热仪参数:设定试验目标温度,终止温度为Tmax2,温升灵敏度为0.02℃/min,数据采集时间间隔为30s或样品温度变化1℃;开启程序,保证试验样品处于绝热环境;
⑤ 绝热环境中,待试验样品和腔体内温度达到目标温度,试验样品以0.1C电流恒流充电;若充电结束时,试验样品的表面温度达到Tmax2,则试验结束;若充电结束时,试验样品的表面温度未达到Tmax2,继续以0.1C恒流充电至规定的充电截止条件,
⑥ 重复步骤③~⑤,其中,步骤⑤充电电流分别依次为0.1C、0.3C、0.5C、0.7C、1.0C和Imax2。
⑦ 记录充电过程中试验样品的表面温度和温升速率(℃/min),测试结束后根据Q=Cp* m*ΔT/t分别计算试验样品在不同倍率下充电过程的生热功率P(W)(例如,试验样品以0.1C进行充电,温度由20℃升至25℃计算得到的P,记为20℃下0.1C充电过程的生热量,将数据记录结果和数据处理结果填至附录表A2中。
放电生热功率试验结果:按照P=Cp mΔT/t 计算试验样品在1C放电过程的生热功率5.88W,由于篇幅的原因,电池在充电的发热功率就略写,测试结果6.14W。