一種充放電條件下鋰離子電池生熱量的估算方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種充放電條件下鋰離子電池生熱量的估算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 21世紀，隨著煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)自然資源的日益枯竭，化學電源已經(jīng)發(fā)展成 為人類生活中不可缺少的動力之源。特別是鋰離子電池，這種高容量二次化學電源因其具 有工作電壓高、循環(huán)壽命長、自放電低、可快速充放電、無記憶效應等優(yōu)點已經(jīng)成為手機、筆 記本電腦等各類便攜式儀器的理想的綠色環(huán)保電源。但是鋰離子電池的廣泛應用也帶來了 更多鋰離子電池事故。這些事故有很大一部分是由電池充放電造成的。
[0003] 通過估算鋰離子電池充放電過程產(chǎn)生的熱量，可以了解鋰離子電池在充放電狀態(tài) 下能量的大小，從而了解其危險性大小，這對于鋰離子電池的安全使用具有極其重要的意 義，為鋰離子電池應用到更加廣泛的領域，提供科學的理論依據(jù)，具有重要的學術(shù)價值和社 會意義。
[0004] 目前，國內(nèi)外主要通過熱重分析儀、差示掃描量熱儀、加速量熱儀來估算電池內(nèi)部 兩種或者兩種以上物質(zhì)在充放電過程中產(chǎn)生熱量的大小，而以鋰離子電池整體作為研究對 象較少被涉及。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的旨在提供一種充放電條件下鋰離子電池生熱量的估算方法，該方法 計算簡單，結(jié)果可靠，通過計算鋰離子電池充放電過程所產(chǎn)生的熱量大小，清楚地認識到電 池的危險度大小。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種充放電條件下鋰離子電池生熱量的估算方法，包括如下步驟：
[0008] (1)、利用鋰離子電池熱失控測試分析系統(tǒng)采集不同充電或放電條件下待測鋰離 子電池的溫度數(shù)據(jù)、以及不同電加熱功率下待測鋰離子電池的溫度數(shù)據(jù)；
[0009] (2)、將步驟（1)中不同電加熱功率下采集得到的待測鋰離子電池的溫度數(shù)據(jù)分 別導入到數(shù)據(jù)處理軟件中，運用微積分熱平衡方程（1)處理溫度數(shù)據(jù)，得到某一時間段內(nèi) 的熱損失功率，再將該時間段內(nèi)溫度的平均值與熱損失功率進行擬合，得出某一電加熱功 率下鋰離子電池熱失控測試分析系統(tǒng)的熱損失功率與溫度的關(guān)系方程；以溫度為X軸，熱 損失功率為Y軸，將不同電加熱功率下鋰離子電池熱失控測試分析系統(tǒng)的熱損失功率與溫 度的關(guān)系統(tǒng)一到同一坐標軸內(nèi)；
[0010] 再運用微積分熱平衡方程⑵確定鋰離子電池熱失控測試分析系統(tǒng)的熱損 失功率與溫度的關(guān)系方程：微積分熱平衡方程⑵為
其中
使坐標軸內(nèi)不同電加熱功率下熱損失功率 與溫度關(guān)系曲線趨于重合，確定系數(shù)a、b、c、d、e，對趨于重合的熱損失功率與溫度關(guān)系曲線 進行擬合可得到熱損失功率關(guān)系方程Qlciss(T1);再將得到的熱損失功率關(guān)系方程Q lciss(T1) 與
相加可得到鋰離子電池熱失控測試分析系統(tǒng)的熱損失功率與溫度的關(guān)系方程；
[0011] ⑶、將充電或放電條件下待測鋰離子電池的溫度數(shù)據(jù)導入到數(shù)據(jù)處理軟件中，根 據(jù)步驟（2)得到的鋰離子電池熱失控測試分析系統(tǒng)的熱損失功率與溫度的關(guān)系方程算出 某一時間段內(nèi)待測鋰離子電池的熱損失功率，將計算出的熱損失功率代入到微積分熱平衡 方程（3)中，得到充電或放電過程中待測鋰離子電池某一時間段內(nèi)的生熱率，再將待測鋰 離子電池各個時間段內(nèi)的生熱率導入到數(shù)據(jù)處理軟件中，得到充電或放電生熱率與時間的 關(guān)系曲線以及充電或放電過程待測鋰離子電池總的生熱量。
[0012] 本發(fā)明采用申請人申請的鋰離子電池熱失控測試分析系統(tǒng)（申請?zhí)?2014107135245,公布號CN104330743A)采集待測鋰離子電池電加熱和充放電條件下的溫 度數(shù)據(jù)，該鋰離子電池熱失控測試分析系統(tǒng)包括實驗裝置、測試裝置、電加熱裝置、充電裝 置、放電裝置、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)；所述的實驗裝置包括導熱管和保溫系統(tǒng)；所述導熱管 外壁纏繞電阻絲，所述導熱管嵌于保溫系統(tǒng)中，導熱管內(nèi)腔形成鋰離子電池安裝孔用于安 裝待測鋰離子電池，所述的導熱管頂端設有溫度傳感器安裝孔用于安裝溫度傳感器；所述 的保溫系統(tǒng)由容器和容器內(nèi)的耐高溫保溫層組成；所述的測試裝置包括溫度傳感器，所述 的溫度傳感器安裝在實驗裝置的溫度傳感器安裝孔中；所述的電加熱裝置包括第一直流穩(wěn) 壓電源和實驗裝置中的電阻絲，所述的第一直流穩(wěn)壓電源經(jīng)電導線與電阻絲連接構(gòu)成電加 熱裝置；所述的充電裝置為第二直流穩(wěn)壓電源，待測鋰離子電池的正負極經(jīng)電導線與第二 直流穩(wěn)壓電源連接；所述的放電裝置為放電用電阻絲，待測鋰離子電池的正負極經(jīng)電導線 與放電用電阻絲兩端連接；所述的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)包括多通道數(shù)據(jù)采集儀和數(shù)據(jù)分析 軟件；所述的多通道數(shù)據(jù)采集儀與溫度傳感器連接來采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)分析 軟件進行分析和處理。所述的電阻絲外設有電阻絲固定裝置，電阻絲固定裝置由均勻纏繞 在電阻絲外的耐高溫膠布制成；所述的電阻絲在導熱管上端設有電阻絲接入點，在導熱管 下端設有電阻絲接出點；所述的導熱管為銅管，導熱管的內(nèi)腔底部設有勾角，所述導熱管的 內(nèi)腔的縱切面呈倒凸型；所述的導熱管內(nèi)徑為18mm，外徑為26mm，高為68mm ;所述的勾角的 長為1_、高為3_ ;所述的溫度傳感器為熱電偶，所述的溫度傳感器安裝孔的孔徑為2_， 便于溫度傳感器直接插入溫度傳感器安裝孔中；所述的容器為鐵制柱形容器；所述的耐高 溫保溫層的材質(zhì)為硅酸鋁纖維毯或巖棉板。所述的電加熱裝置的第一直流穩(wěn)壓電源的可調(diào) 電壓范圍為0~30V，電流0~5A。所述的多通道數(shù)據(jù)采集儀為Hydra2620A多通道數(shù)據(jù)采 集儀；所述的數(shù)據(jù)分析軟件為Hydra系列通用信號分析軟件，用于對數(shù)據(jù)和信號進行分析 和處理。
[0013] 采集不同電加熱功率下待測鋰離子電池的溫度數(shù)據(jù)的操作方法為：實驗前，實驗 裝置中電阻絲的電阻絲接入點和電阻絲接出點分別經(jīng)電導線與第一直流穩(wěn)壓電源的正負 極連接構(gòu)成電加熱裝置；實驗時，將待測鋰離子電池嵌入到鋰離子電池安裝孔中，溫度傳 感器嵌入溫度傳感器安裝孔中，打開溫度采集軟件，查看各通道是否處于工作狀態(tài)，等待信 號；然后，設定第一直流穩(wěn)壓電源的電加熱功率在3~IOW之間，開始加熱，由溫度傳感器測 量溫度信號，并將信號傳遞給數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀間隔固定時間采集記錄待測鋰離子 電池的溫度數(shù)據(jù)。設定第一直流穩(wěn)壓電源的電加熱功率在3~IOW之間的原因是：如果電 加熱功率設定太高，采集到的溫度變化較快，而熱量的傳遞存在時間差，導致采集到溫度數(shù) 據(jù)與實際的溫度存在較大誤差；電加熱功率設定太低，一方面導致實驗時間較長，另一方面 溫度數(shù)據(jù)變化過慢，也會導致估算方法的誤差相對增大。優(yōu)選的，設定第一直流穩(wěn)壓電源的 電加熱功率為3. 3W、5. 6W、7. 3W、9. 1W，鋰離子電池熱失控測試分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集儀每隔 1-3秒采集記錄待測鋰離子電池的溫度數(shù)據(jù)，獲得4組不同電加熱功率下待測鋰離子電池 的溫度數(shù)據(jù)。
[0014] 采集不同充電條件下待測鋰離子電池的溫度數(shù)據(jù)的操作方法為：實驗前，實驗裝 置中待測鋰離子電池的正負極經(jīng)電導線與第二直流穩(wěn)壓電源連接；實驗時，將待測鋰離子 電池嵌入到鋰離子電池安裝孔中，溫度傳感器嵌入溫度傳感器安裝孔中，打開溫度采集軟 件，查看各通道是否處于工作狀態(tài)，等待信號；然后，設第二直流穩(wěn)壓電源的充電電流在 5~IlA之間，開始充電，由溫度傳感器測量溫度