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前言

 

鋰離子電池在充放電過程中存在明顯的熱效應，包括電極反應熱、極化熱、焦耳熱和副反應熱等^[1]。這些熱量使電池內部溫度上升，一旦溫度過高將影響電池性能和壽命，甚至會導致電池發生熱失控。因此，電池充放電產熱數據是進行電池熱管理設計的必要參數。

目前，基于功率補償等溫量熱原理的等溫量熱儀和基于絕熱追蹤原理的絕熱加速量熱儀是測量電池充放電產熱的主要儀器。如圖1所示，等溫量熱儀能夠控制電池溫度保持恒定，并利用電功率對電池產熱功率進行等效補償；絕熱量熱儀能夠進行電池溫度追蹤，獲得電池在充放電過程中的絕熱溫升曲線和比熱容數據，并計算產熱量。本文重點比較了兩種方法在量熱結果上的差別性。

實驗部分

 

方形電池（LFP，50Ah）*2

6061標準鋁塊

2. 實驗條件

絕熱量熱電池起始溫度：30°C；

等溫量熱電池溫度：30°C、50°C；

電池充放電方式：恒壓恒流充電、恒流放電；

充放電倍率：0.33C、0.5C、1C；

比熱容溫升速率：0.2°C/min。

實驗結果

 

 

1. 電池比熱容實驗

 

圖2 電池比熱容測量結果

 

利用差式功率補償原理，絕熱量熱儀可測定電池比熱容的數據，本文根據電池充放電過程的溫度變化范圍，測定該溫區內的平均比熱容，用于計算電池放熱量，測試結果如圖2所示。

2. 18650電池量熱結果

 

 

如圖3所示，等溫與絕熱兩種儀器測定的產熱功率變化趨勢基本一致，說明上述兩種測試方法均能夠反映充放電過程中電池內阻和熵變系數變化規律。另外，可以發現等溫量熱測定熱流的滯后性略大，這與等溫相對復雜的裝樣方式有關。

 

30℃起始溫度下充放電產熱量的測量結果如表1所示，4種工步下等溫量熱值均高于絕熱。0.5C和1C下電池的絕熱溫升分別為15°C和30°C左右，在該范圍內，溫度升高有利于降低電池極化內阻，減少電池產熱。通過圖3也可以看出，絕熱法測定的功率曲線都介于30°C和50°C兩個溫度條件下測定的等溫量熱曲線之間。

 

表1 18650電池充放電產熱量數據統計

3. 方形電池量熱結果

 

圖4  0.33C倍率下方形電池在(a)充電和(b)放電過程產熱功率測量結果對比

表2 0.33C倍率下等溫與絕熱測定的產熱量對比

 

觀察表2及圖4，在0.33C這一較低的倍率下進行充電，絕熱法測定的產熱量高于等溫的結果。這可能是由于在充電初始階段出現明顯的吸熱特征，而絕熱量熱儀沒有制冷功能，無法對電池降溫過程進行快速的溫度追蹤，所以可能出現電池吸熱無法有效檢出、測量結果偏大的情況。

結論

 

1.利用等溫量熱儀和絕熱量熱儀均能夠有效測定電池充放電產熱。兩種方法測定的熱功率變化趨勢具有較好的一致性，但由于兩者對電池的控溫方式不同，產熱量的結果存在差異性；

2.當電池最高溫度未明顯超過正常使用溫度的情況下，利用絕熱法測定的產熱量會小于等溫法；

3.對于低倍率充電等導致電池出現明顯吸熱特征的工況，絕熱法測定的產熱量可能將大于等溫法。

 

參考文獻：

[1]Noboru Sato. [J]. Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles. Journal of Power Sources, 99 (2001):70-77.