一种充放电条件下锂离子电池生热量的估算方法

摘要

本发明公开了一种充放电条件下锂离子电池生热量的估算方法，首先采集待测锂离子电池在电加热和充放电条件下的温度数据；将不同电加热功率下电池的温度数据导入到数据处理软件中，运用微积分热平衡方程(1)和微积分热平衡方程(2)确定锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率与温度的关系方程；将充放电条件下电池的温度数据导入到数据处理软件中，根据微积分热平衡方程(3)得到充电或放电过程中锂离子电池某一时间段内的生热率，再将锂离子电池某一时间段内的生热率导入到数据处理软件中，得到充电或放电生热率与时间的关系曲线以及充电或放电过程总的生热量。本发明以锂离子电池整体为研究对象，能够认识到充放电条件对电池的影响大小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种充放电条件下锂离子电池生热量的估算方法。

背景技术

21世纪，随着煤、石油、天然气等传统自然资源的日益枯竭，化学电源已经发展成为人类生活中不可缺少的动力之源。特别是锂离子电池，这种高容量二次化学电源因其具有工作电压高、循环寿命长、自放电低、可快速充放电、无记忆效应等优点已经成为手机、笔记本电脑等各类便携式仪器的理想的绿色环保电源。但是锂离子电池的广泛应用也带来了更多锂离子电池事故。这些事故有很大一部分是由电池充放电造成的。

通过估算锂离子电池充放电过程产生的热量，可以了解锂离子电池在充放电状态下能量的大小，从而了解其危险性大小，这对于锂离子电池的安全使用具有极其重要的意义，为锂离子电池应用到更加广泛的领域，提供科学的理论依据，具有重要的学术价值和社会意义。

目前，国内外主要通过热重分析仪、差示扫描量热仪、加速量热仪来估算电池内部两种或者两种以上物质在充放电过程中产生热量的大小，而以锂离子电池整体作为研究对象较少被涉及。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种充放电条件下锂离子电池生热量的估算方法，该方法计算简单，结果可靠，通过计算锂离子电池充放电过程所产生的热量大小，清楚地认识到电池的危险度大小。

本发明的技术方案如下：

一种充放电条件下锂离子电池生热量的估算方法，包括如下步骤：

(1)、利用锂离子电池热失控测试分析系统采集不同充电或放电条件下待测锂离子电池的温度数据、以及不同电加热功率下待测锂离子电池的温度数据；

(2)、将步骤(1)中不同电加热功率下采集得到的待测锂离子电池的温度数据分别导入到数据处理软件中，运用微积分热平衡方程(1)处理温度数据，得到某一时间段内的热损失功率，再将该时间段内温度的平均值与热损失功率进行拟合，得出某一电加热功率下锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率与温度的关系方程；以温度为X轴，热损失功率为Y轴，将不同电加热功率下锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率与温度的关系统一到同一坐标轴内；

再运用微积分热平衡方程(2)确定锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率与温度的关系方程：微积分热平衡方程(2)为$q_{loss}=q_{loss}\left(T_i\right)+q_{loss}\left(\frac{{\mathrm{dT}}_i}{dt}\right),$其中$q_{loss}\left(\frac{{\mathrm{dT}}_i}{dt}\right)=A\left(T\right)\times \frac{{\mathrm{dT}}_i}{dt},$A(T)＝aT⁴+bT³+cT²+dT+e；使坐标轴内不同电加热功率下热损失功率与温度关系曲线趋于重合，确定系数a、b、c、d、e，对趋于重合的热损失功率与温度关系曲线进行拟合可得到热损失功率关系方程q_loss(T_i)；再将得到的热损失功率关系方程q_loss(T_i)与相加可得到锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率与温度的关系方程；

(3)、将充电或放电条件下待测锂离子电池的温度数据导入到数据处理软件中，根据步骤(2)得到的锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率与温度的关系方程算出某一时间段内待测锂离子电池的热损失功率，将计算出的热损失功率代入到微积分热平衡方程(3)中，得到充电或放电过程中待测锂离子电池某一时间段内的生热率，再将待测锂离子电池各个时间段内的生热率导入到数据处理软件中，得到充电或放电生热率与时间的关系曲线以及充电或放电过程待测锂离子电池总的生热量。

本发明采用申请人申请的锂离子电池热失控测试分析系统(申请号2014107135245，公布号CN104330743A)采集待测锂离子电池电加热和充放电条件下的温度数据，该锂离子电池热失控测试分析系统包括实验装置、测试装置、电加热装置、充电装置、放电装置、数据采集及处理系统；所述的实验装置包括导热管和保温系统；所述导热管外壁缠绕电阻丝，所述导热管嵌于保温系统中，导热管内腔形成锂离子电池安装孔用于安装待测锂离子电池，所述的导热管顶端设有温度传感器安装孔用于安装温度传感器；所述的保温系统由容器和容器内的耐高温保温层组成；所述的测试装置包括温度传感器，所述的温度传感器安装在实验装置的温度传感器安装孔中；所述的电加热装置包括第一直流稳压电源和实验装置中的电阻丝，所述的第一直流稳压电源经电导线与电阻丝连接构成电加热装置；所述的充电装置为第二直流稳压电源，待测锂离子电池的正负极经电导线与第二直流稳压电源连接；所述的放电装置为放电用电阻丝，待测锂离子电池的正负极经电导线与放电用电阻丝两端连接；所述的数据采集及处理系统包括多通道数据采集仪和数据分析软件；所述的多通道数据采集仪与温度传感器连接来采集数据，并将数据传输给数据分析软件进行分析和处理。所述的电阻丝外设有电阻丝固定装置，电阻丝固定装置由均匀缠绕在电阻丝外的耐高温胶布制成；所述的电阻丝在导热管上端设有电阻丝接入点，在导热管下端设有电阻丝接出点；所述的导热管为铜管，导热管的内腔底部设有勾角，所述导热管的内腔的纵切面呈倒凸型；所述的导热管内径为18mm，外径为26mm，高为68mm；所述的勾角的长为1mm、高为3mm；所述的温度传感器为热电偶，所述的温度传感器安装孔的孔径为2mm，便于温度传感器直接插入温度传感器安装孔中；所述的容器为铁制柱形容器；所述的耐高温保温层的材质为硅酸铝纤维毯或岩棉板。所述的电加热装置的第一直流稳压电源的可调电压范围为0～30V，电流0～5A。所述的多通道数据采集仪为Hydra2620A多通道数据采集仪；所述的数据分析软件为Hydra系列通用信号分析软件，用于对数据和信号进行分析和处理。

采集不同电加热功率下待测锂离子电池的温度数据的操作方法为：实验前，实验装置中电阻丝的电阻丝接入点和电阻丝接出点分别经电导线与第一直流稳压电源的正负极连接构成电加热装置；实验时，将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，设定第一直流稳压电源的电加热功率在3～10W之间，开始加热，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪间隔固定时间采集记录待测锂离子电池的温度数据。设定第一直流稳压电源的电加热功率在3～10W之间的原因是：如果电加热功率设定太高，采集到的温度变化较快，而热量的传递存在时间差，导致采集到温度数据与实际的温度存在较大误差；电加热功率设定太低，一方面导致实验时间较长，另一方面温度数据变化过慢，也会导致估算方法的误差相对增大。优选的，设定第一直流稳压电源的电加热功率为3.3W、5.6W、7.3W、9.1W，锂离子电池热失控测试分析系统的数据采集仪每隔1-3秒采集记录待测锂离子电池的温度数据，获得4组不同电加热功率下待测锂离子电池的温度数据。

采集不同充电条件下待测锂离子电池的温度数据的操作方法为：实验前，实验装置中待测锂离子电池的正负极经电导线与第二直流稳压电源连接；实验时，将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，设第二直流稳压电源的充电电流在5～11A之间，开始充电，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪间隔固定时间采集记录待测锂离子电池的温度数据。优选的，设第二直流稳压电源的充电电流为5.2A、7.8A、9.1A、9.8A、10.4A，锂离子电池热失控测试分析系统的数据采集仪每隔1-3秒采集记录待测锂离子电池的温度数据，获得5组不同充电条件下待测锂离子电池的温度数据。设定第二直流稳压电源的充电电流在5～11A之间的原因是：如果充电电流设定太高，采集到的温度变化较快，而热量的传递存在时间差，导致采集到温度数据与实际的温度存在较大误差；充电电流设定太低，一方面导致实验时间较长，另一方面温度数据变化过慢，也会导致估算方法的误差相对增大。

采集不同放电条件下待测锂离子电池的温度数据的操作方法为：将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，待测锂离子电池的正负极经电导线与放电用电阻丝两端连接，放电电阻的大小通过调整接入电阻丝的长度来设定放电电阻在0.1～1.5Ω之间，开始放电，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪间隔固定时间采集记录待测锂离子电池的温度数据。优选的，调整放电用电阻丝的长度设定放电电阻为0.1Ω、0.2Ω、0.3Ω、0.5Ω、1.5Ω，锂离子电池热失控测试分析系统的数据采集仪每隔1-3秒采集记录待测锂离子电池的温度数据，获得5组不同放电条件下待测锂离子电池的温度数据。设定放电电阻在0.1～1.5Ω之间的原因是：如果放电电阻设定的太高或太低，都会导致实验时间较长，温度数据变化过慢，导致估算方法的误差相对增大。

所述的数据处理软件是带有拟合功能的数据处理软件，通过数据处理软件的非线性拟合功能拟合出温度与热损失功率的关系方程。所述的数据处理软件优选为origin8.0。

所述的微积分热平衡方程(1)是：

q_loss,i(t_i+Δt-t_i)＝q_in(t_i+Δt-t_i)-c_p,cum_cu(T_i+Δt-T_i)-c_p1,batterym_battery1(T_i+Δt-T_i)；

其中，q_loss,i(t_i+Δt-t_i)表示q_loss,i*(t_i+Δt-t_i)即某一时间段t_i～t_i+Δt内锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率和该时间段相乘，q_loss,i是某一时间段t_i～t_i+Δt内锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率，t_i是采集到的第i个温度数据的时间点，t_i+△t是采集到的第i+△t个温度数据的时间点，T_i是采集到的第i个温度数据，T_i+Δt是采集到的第i+△t个温度数据，q_in电加热功率，c_p,cu是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中铜管的比热，m_cu是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中铜管的质量，c_p1,battery是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中锂离子电池的比热，m_battery1是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中锂离子电池的质量。

所述的微积分热平衡方程(2)是：

在方程中锂离子电池热失控测试分析系统q_loss的热损失功率包括两部分q_loss(T_i)和其中，q_loss(T_i)是系统温度升高带来的热损失功率，且不同电加热条件下的q_los(_sT_i)相等；是充放电时电池温度升高带来的热损失功率，A(T)＝aT⁴+bT³+cT²+dT+e，其中A(T)为使用数据处理软件使不同电加热功率下锂离子电池热失控测试分析系统由于温度变化带来的热损失功率趋于重合的公式。

所述的微积分热平衡方程(3)是：

q_reaction＝c_p,cum_cu(T_i+Δt-T_i)+c_p1,batterym_battery1(T_i+Δt-T_i)+q_loss

其中，q_reaction是电池充放电过程中的生热率，c_p,cu是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中铜管的比热，m_cu是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中铜管的质量，c_p1,battery是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中锂离子电池的比热，m_battery1是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中锂离子电池的质量，T_i是采集到的第i个温度数据，T_i+Δt是采集到的第i+△t个温度数据，q_loss为锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率，即根据微积分热平衡方程(2)获得的锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率。

本发明所述的充放电条件下锂离子电池生热量是指锂离子电池在充放电过程产生的热量。

本发明的有益效果：

本发明方法以锂离子电池整体作为研究对象，以锂离子电池热失控测试分析系统测得的实验数据为基础，通过对数据进行一系列的处理，得到充放电条件下相对准确的电池生热量。通过设定不同充放电条件，能够估算出与之对应的生热量大小，清楚地认识到充放电条件对电池的影响大小。

附图说明

图1是锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率与温度的关系曲线图。

图2是锂离子电池热失控测试分析系统q_loss(T_i)与温度的关系曲线图。

图3是锂离子电池热失控测试分析系统的示意图。

图4是锂离子电池热失控测试分析系统的实验装置结构示意图。

图5是锂离子电池热失控测试分析系统的实验装置中导热管结构示意图。

具体实施方式

通过具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

参照图3-5所示，本发明采用的锂离子电池热失控测试分析系统(申请号2014107135245，公布号CN104330743A)包括实验装置、电加热装置、充电装置、放电装置、测试装置、数据采集及处理系统；所述的实验装置包括导热管3和保温系统；所述的导热管3底部设有勾角9，使导热管3的纵切面呈倒凸型；所述导热管3外壁缠绕电阻丝4，所述的电阻丝4在导热管3上、下端分别设有电阻丝接入点10和电阻丝接出点11；所述的电阻丝4外均匀缠绕耐高温胶布作为电阻丝固定装置5，所述导热管3嵌于保温系统中，导热管3内腔形成锂离子电池安装孔1用于安装待测锂离子电池，所述的导热管3顶端设有温度传感器安装孔2用于安装温度传感器7；所述的保温系统包括铁制柱形容器8和填充在容器8内的耐高温材料(本实施例采用保温棉作为耐高温材料)形成的耐高温保温层6；其中，所述的导热管3为铜管；所述的导热管3内径为18mm，外径为26mm，高为68mm；所述的勾角9的长为1mm、高为3mm。

所述的电加热装置包括第一直流稳压电源(30V5A)和实验装置中的电阻丝，所述的第一直流稳压电源经电导线与电阻丝连接。所述的第一直流稳压电源为WYJ-5A30V型直流稳压电源，其可调电压范围为0～30V，显示准确度±1.2％，电流0～5A，显示准确度±1.5％。

所述的充电装置为第二直流稳压电源(30V50A)，待测锂离子电池的正负极经电导线与第二直流稳压电源连接。所述的第二直流稳压电源为KXN-3050D型直流稳压电源，其可调电压范围为0～30V，显示准确度±1％，电流0～50A，显示准确度±1％。

所述的放电装置为放电用电阻丝，待测锂离子电池的正负极经电导线与放电用电阻丝两端连接。所述的放电装置中的放电用电阻丝为Cr₂₀Ni₈₀型电阻丝，可调电阻范围为0～5Ω。

所述的温度传感器为OMEGA-K型热电偶，其响应时间0.01s，热电偶安装在实验装置的温度传感器安装孔中，用于采集待测锂离子电池温度。

所述的数据采集及处理系统包括多通道数据采集仪和数据分析软件；所述的多通道数据采集仪与温度传感器连接采集数据，并将数据传输给数据分析软件进行分析和处理。本实施例中多通道数据采集仪为Hydra2620A多通道数据采集仪，分辨率为0.1℃，准确度为±0.45℃；所述的数据分析软件为Hydra系列通用信号分析软件；多通道数据采集仪与温度传感器连接采集数据，并将数据传输给数据分析软件进行分析和处理。

实施例1

充电条件的变量为充电电流，其余的初始温度以及散热条件均为不变量。统一选用容量为2600mAh的锂离子电池，初始电量均为0％，充电电流依次为5.2A、7.8A、9.1A、9.8A、10.4A。初始温度为23℃。

参照技术方案中充放电条件下锂离子电池生热量的估算方法，对本实施例待测锂离子电池充电条件下的生热量进行估算，包括以下步骤：

(1)、采用锂离子电池热失控测试分析系统采集待测锂离子电池不同电加热条件下的温度数据，操作方法为：实验前，实验装置中电阻丝的电阻丝接入点和电阻丝接出点分别经电导线与第一直流稳压电源的正负极连接构成电加热装置；实验时，将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；设定第一直流稳压电源的电加热功率分别为3.3W、5.6W、7.3W、9.1W，进行4组实验，电加热功率设定完成后，开始加热，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪每隔1秒采集一次温度数据记录待测锂离子电池的温度数据；

采用锂离子电池热失控测试分析系统采集待测锂离子电池不同充电条件下的温度数据，操作方法为：实验前，实验装置中待测锂离子电池的正负极经电导线与第二直流稳压电源连接；实验时，将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，分别设第二直流稳压电源的充电电流为5.2A、7.8A、9.1A、9.8A、10.4A，进行5组实验，充电电流设定完成后，开始充电，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪间隔1秒采集记录待测锂离子电池的温度数据。

(2)、将待测锂离子电池的4组不同电加热功率下的温度数据分别导入到数据处理软件origin8.0中，运用微积分热平衡方程(1)处理温度数据，得到某一时间段(本实施例为2秒)内的热损失功率，再将该时间段内温度的平均值与热损失功率进行拟合，得出某一电加热功率下锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率与温度的关系方程；以温度为X轴，热损失功率为Y轴，将4组不同电加热功率下锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率与温度的关系统一到同一坐标轴内得到4条不同电加热功率下的热损失功率与温度的关系曲线(如图2)；

其中，所述的微积分热平衡方程(1)是：

q_loss,i(t_i+Δt-t_i)＝q_in(t_i+Δt-t_i)-c_p,cum_cu(T_i+Δt-T_i)-c_p1,batterym_battery1(T_i+Δt-T_i)；

其中，q_loss,i是某一时间段t_i～t_i+Δt内锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率，t_i是采集到的第i个温度数据的时间，点t_i+△t是采集到的第i+△t个温度数据的时间点，T_i是采集到的第i个温度数据，T_i+1是采集到的第i+△t个温度数据，q_in是电加热功率(本实施例中q_in＝3.3W，5.6W，7.3W，9.1W)，c_p,cu是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中铜管的比热(本实施例中c_p,cu＝316.21+0.3177T-3.4936*10^-4T²+1.661*10^-7T³)，m_cu是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中铜管的质量(本实施例中m_cu＝133.38g)，c_p1,battery是待测锂离子电池电池的比热(本实施例中c_p1,battery＝1160J/(g*K))，m_battery1是待测锂离子电池电池的质量(本实施例中m_battery1＝45.03g)。

运用微积分热平衡方程(2)：$q_{loss}=q_{loss}\left(T_i\right)+q_{loss}\left(\frac{{\mathrm{dT}}_i}{dt}\right),$其中，$q_{loss}\left(\frac{{\mathrm{dT}}_i}{dt}\right)=A\left(T\right)\times \frac{{\mathrm{dT}}_i}{dt},$A(T)＝aT⁴+bT³+cT²+dT+e；使4条不同电加热功率下的热损失功率与温度的关系曲线趋于重合(具体拟合曲线见图3)，得到a＝-2×10^-8，b＝6.4×10^-5，c＝1.1×10^-2，d＝0.84，e＝-5.5。对趋于重合的曲线进行拟合得到热损失功率q_loss(T_i)的关系方程；再将q_loss(T_i)与相加可得到锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率与温度的关系方程：

$q_{loss}\left(T\right)=-7\times {10}^{-8}{T}^4+1.4\times {10}^{-6}{T}^{-3}+0.02T+0.58+(-2\times {10}^{-8}{T}^4+6.4\times {10}^{-5}{T}^3-1.1\times {10}^{-2}{T}^2+0.84T-5.5)\frac{{\mathrm{dT}}_i}{dt};$

(3)、将步骤(2)得到的锂离子电池热失控测试分析系统热损失功率与温度的关系方程和5组不同充电条件(5.2A、7.8A、9.1A、9.8A、10.4A)下待测锂离子电池的温度数据代入微积分热平衡方程(3)：q_reaction＝c_p,cum_cu(T_i+Δt-T_i)+c_p1,batterym_battery1(T_i+Δt-T_i)+q_loss中，得出充电过程中待测锂离子电池某一时间段(本实施例为2秒)内的生热率；

其中，q_reaction是待测锂离子电池充电过程中的生热率，c_p,cu是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中铜管的比热，m_cu是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中铜管的质量，c_p1,battery是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中锂离子电池的比热，m_battery1是锂离子电池热失控测试分析系统实验装置中锂离子电池的质量，T_i是采集到的第i个温度数据，T_i+Δt是采集到的第i+△t个温度数据，q_loss为锂离子电池热失控测试分析系统的热损失功率。

再将待测锂离子电池各个时间段内的生热率导入到数据处理软件origin8.0中，得到不同充电条件下待测锂离子电池总的生热量，如表1所示。

表1不同充电电流下待测锂离子电池的生热量

实施例2

选用实施例1中的待测锂离子电池，容量为2600mAh的锂离子电池，初始电量均为100％，放电电阻依次为0.1Ω、0.2Ω、0.3Ω、0.5Ω、1.5Ω，估算不同放电电阻下锂离子电池的生热量。

参照实例1的估算方法，除步骤(1)中采集不同放电条件下待测锂离子电池的温度数据的操作方法不同外，其他步骤均一致。采集不同放电条件下待测锂离子电池的温度数据的操作方法为：将待测锂离子电池嵌入到锂离子电池安装孔中，温度传感器嵌入温度传感器安装孔中，打开温度采集软件，查看各通道是否处于工作状态，等待信号；然后，待测锂离子电池的正负极经电导线与放电用电阻丝两端连接，放电电阻的大小通过调整接入电阻丝的长度来设定放电电阻分别为0.1Ω、0.2Ω、0.3Ω、0.5Ω、1.5Ω，开始放电，由温度传感器测量温度信号，并将信号传递给数据采集仪，数据采集仪间隔1秒采集记录待测锂离子电池的温度数据，获得5组不同放电条件下待测锂离子电池的温度数据。最后得到不同放电电阻下待测锂离子电池的生热量，如表2所示。

表2不同放电电阻下待测锂离子电池的生热量