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技術(shù)文章

對(duì)比等溫量熱及絕熱量熱用于鋰電池充放電產(chǎn)熱測(cè)量

閱讀:1189          發(fā)布時(shí)間:2023-3-31

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前言

 

鋰離子電池在充放電過(guò)程中存在明顯的熱效應(yīng),包括電極反應(yīng)熱、極化熱、焦耳熱和副反應(yīng)熱等[1]。這些熱量使電池內(nèi)部溫度上升,一旦溫度過(guò)高將影響電池性能和壽命,甚至?xí)?dǎo)致電池發(fā)生熱失控。因此,電池充放電產(chǎn)熱數(shù)據(jù)是進(jìn)行電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)的必要參數(shù)。

目前,基于功率補(bǔ)償?shù)葴亓繜嵩淼牡葴亓繜醿x和基于絕熱追蹤原理的絕熱加速量熱儀是測(cè)量電池充放電產(chǎn)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(duì)電池產(chǎn)熱功率進(jìn)行等效補(bǔ)償;絕熱量熱儀能夠進(jìn)行電池溫度追蹤,獲得電池在充放電過(guò)程中的絕熱溫升曲線和比熱容數(shù)據(jù),并計(jì)算產(chǎn)熱量。本文重點(diǎn)比較了兩種方法在量熱結(jié)果上的差別性。


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圖1 (a)等溫量熱儀和(b)絕熱加速量熱儀檢測(cè)原理

實(shí)驗(yàn)部分

 

1. 樣品準(zhǔn)備
18650電池(NCM,2000mAh)*2

方形電池(LFP,50Ah)*2

6061標(biāo)準(zhǔn)鋁塊
2. 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

 

1. 電池比熱容實(shí)驗(yàn)

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圖2 電池比熱容測(cè)量結(jié)果

 

利用差式功率補(bǔ)償原理,絕熱量熱儀可測(cè)定電池比熱容的數(shù)據(jù),本文根據(jù)電池充放電過(guò)程的溫度變化范圍,測(cè)定該溫區(qū)內(nèi)的平均比熱容,用于計(jì)算電池放熱量,測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

2. 18650電池量熱結(jié)果


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圖3 18650電池在(a,b)0.5C和(c,d)1C倍率下電池(a,c)充電和(b,d)放電產(chǎn)熱功率測(cè)量結(jié)果對(duì)比

 

如圖3所示,等溫與絕熱兩種儀器測(cè)定的產(chǎn)熱功率變化趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明上述兩種測(cè)試方法均能夠反映充放電過(guò)程中電池內(nèi)阻和熵變系數(shù)變化規(guī)律。另外,可以發(fā)現(xiàn)等溫量熱測(cè)定熱流的滯后性略大,這與等溫相對(duì)復(fù)雜的裝樣方式有關(guān)。

 

30℃起始溫度下充放電產(chǎn)熱量的測(cè)量結(jié)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(nèi),溫度升高有利于降低電池極化內(nèi)阻,減少電池產(chǎn)熱。通過(guò)圖3也可以看出,絕熱法測(cè)定的功率曲線都介于30°C和50°C兩個(gè)溫度條件下測(cè)定的等溫量熱曲線之間。

 

表1 18650電池充放電產(chǎn)熱量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

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3. 方形電池量熱結(jié)果

 

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圖4  0.33C倍率下方形電池在(a)充電和(b)放電過(guò)程產(chǎn)熱功率測(cè)量結(jié)果對(duì)比


表2 0.33C倍率下等溫與絕熱測(cè)定的產(chǎn)熱量對(duì)比

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觀察表2及圖4,在0.33C這一較低的倍率下進(jìn)行充電,絕熱法測(cè)定的產(chǎn)熱量高于等溫的結(jié)果。這可能是由于在充電初始階段出現(xiàn)明顯的吸熱特征,而絕熱量熱儀沒(méi)有制冷功能,無(wú)法對(duì)電池降溫過(guò)程進(jìn)行快速的溫度追蹤,所以可能出現(xiàn)電池吸熱無(wú)法有效檢出、測(cè)量結(jié)果偏大的情況。

結(jié)論

 

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

2.當(dāng)電池最高溫度未明顯超過(guò)正常使用溫度的情況下,利用絕熱法測(cè)定的產(chǎn)熱量會(huì)小于等溫法;

3.對(duì)于低倍率充電等導(dǎo)致電池出現(xiàn)明顯吸熱特征的工況,絕熱法測(cè)定的產(chǎn)熱量可能將大于等溫法。

 

參考文獻(xiàn):

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

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