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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(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程中的絕熱溫升曲線和比熱容數(shù)據(jù)，并計算產(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。

實(shí)驗(yàn)部分

 

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)

 

圖2 電池比熱容測量結(jié)果

 

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

2. 18650電池量熱結(jié)果

 

 

如圖3所示，等溫與絕熱兩種儀器測定的產(chǎn)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(nèi)阻和熵變系數(shù)變化規(guī)律。另外，可以發(fā)現(xiàn)等溫量熱測定熱流的滯后性略大，這與等溫相對復(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(chǎn)熱量數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3. 方形電池量熱結(jié)果

 

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

表2 0.33C倍率下等溫與絕熱測定的產(chǎn)熱量對比

 

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，而絕熱量熱儀沒有制冷功能，無法對電池降溫過程進(jìn)行快速的溫度追蹤，所以可能出現(xiàn)電池吸熱無法有效檢出、測量結(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定電池充放電產(chǎn)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(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正常使用溫度的情況下，利用絕熱法測定的產(chǎn)熱量會小于等溫法；

3.對于低倍率充電等導(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.