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动力电池发热量的3种测试方法

2年前浏览4177

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:

充放电时反应热 Q1 可以表示为:

Q1=0.0104Q*I

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:

Q2=I^2*Re

电芯内极化内阻Rp 产生的极化热 Q3:

Q3=I^2*Rp
当电池工作温度在 70~80℃时,反应热占绝大比例。而锂离子正常工作温度下焦耳热和极化热占绝大比例。


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:

1)ARC:
数据准确,具备测试条件。但测试准确度对比热容测试的结果准确度依赖性很大,且标准块的测试误差达到5%。因绝热环境电池温升较大,测试数据会偏低。
2)Bernardi
Bernardi理论计算数据相对较准确,已比较成熟,但需要实测的数据较多,包括工况数据,OCV数据,DE/DT数据,测试周期较长。
3)RC模型
RC模型计算,但若可以建立准确的RC模型,就可以实现各种工况的产热模拟。
本文针对ARC方法测试50Ah三元电芯的发热量,测试如下:



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:

    以1C或按照制造商推荐的充电机制充电至制造商规定的充电截止条件;

    静置30min;

    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;

    静置30min;

    重复步骤①至步骤④5次。

如果测试过程中连续两次的放电容量变化不高于额定5%,则认为测试样品完成了预处理,否则需要更换测试样品。
  • 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:

    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);

    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:

    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。

    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。


电池单体充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。



测试结果

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



来源:做个热设计
科普化学理论电机试验
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2022-08-05
最近编辑:2年前
做个热设计
本科 | 热设计工程师 公粽号:做个热设计
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1条评论
LEVEL水平线仿真
公众号LEVEL电池热管理技术
1年前
文章是我的哦
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