利用常規(guī)檢測(cè)儀器測(cè)定電池充放電產(chǎn)熱存在熱滯后效應(yīng)，無(wú)法真實(shí)反映電池的瞬態(tài)生熱特性。本文利用等溫量熱儀探究了電池厚度、導(dǎo)熱附件厚度和實(shí)驗(yàn)溫度三類因素對(duì)于熱滯后的影響，同時(shí)根據(jù)非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程提出了一種熱滯后修正方法。
前言
研究鋰離子電池充放電過程的熱效應(yīng)對(duì)于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)、提高電池性能及安全性具有十分重要的意義。電池等溫量熱儀是測(cè)試不同工況下鋰電池單體充放電產(chǎn)熱特性的主要測(cè)試儀器。該儀器基于功率補(bǔ)償?shù)葴亓繜嵩?，通過反饋控制電加熱元件使得充放電過程中電池溫度保持恒定，從而根據(jù)加熱元件的焦耳熱功率變化對(duì)電池?zé)嵝?yīng)進(jìn)行等效。
圖1 等溫量熱儀(a)整機(jī)和(b)測(cè)試腔體結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)檢測(cè)原理，利用等溫量熱儀可以準(zhǔn)確測(cè)定電池產(chǎn)熱量，但對(duì)于產(chǎn)熱功率的測(cè)量不可避免地存在一定的熱滯后效應(yīng)。一方面，鋰電池產(chǎn)熱主要來(lái)自于卷芯，卷芯至電池表面的傳熱路徑上存在明顯的熱阻，同時(shí)電池自身的熱容相對(duì)較大；另一方面，為降低電池與恒溫?zé)岢灵g的接觸熱阻，并提高溫度均勻性，測(cè)試前電池兩側(cè)需組裝多層導(dǎo)熱介質(zhì)，包括石墨墊片、硅膠墊和勻熱塊（見圖1）。但即便如此，各部件間的熱阻仍然不可忽略。可以認(rèn)為，電池產(chǎn)熱功率測(cè)量涉及一個(gè)有時(shí)變內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)傳熱過程，該過程的弛豫現(xiàn)象導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果無(wú)法直接等效于電池的瞬態(tài)產(chǎn)熱功率。除等溫量熱儀外，電池絕熱、微量熱儀等可用于測(cè)定電池?zé)嵝?yīng)的儀器普遍存在熱滯后問題。
為了初步辨析影響熱滯后性的主要因素，本文研究了電池厚度、導(dǎo)熱硅膠墊厚度和實(shí)驗(yàn)溫度三類因素對(duì)等溫量熱儀測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)，在文末提出了一種對(duì)熱滯后效應(yīng)進(jìn)行修正的簡(jiǎn)易方法。
實(shí)驗(yàn)部分
1. 樣品準(zhǔn)備電池#1：磷酸鐵鋰方形電池
(L173mm*W111mm*H20mm，40Ah，100%SOC)
電池#2：磷酸鐵鋰方形電池
(L148mm*W102mm*H80mm，135Ah，100%SOC)
電池#3：磷酸鐵鋰軟包電池
(L141mm*W137mm*H20mm，40Ah，100%SOC)
2. 實(shí)驗(yàn)條件
實(shí)驗(yàn)儀器：杭州仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀、充放電測(cè)試儀
工作模式：功率補(bǔ)償?shù)葴啬Ｊ?/span>
樣品溫度：25℃
充放電方式：1C恒流放電
結(jié)果討論
1．電池厚度影響
由于厚度不同的電池在容量上難以一致，因此本文選用兩款容量不同、大面面積相似、而厚度分別為20mm和80mm的磷酸鐵鋰電池（#1和#2），進(jìn)行1C恒流放電實(shí)驗(yàn)。理論上放電過程中電池內(nèi)阻隨SOC下降而單調(diào)遞增，所以放電結(jié)束時(shí)刻電池產(chǎn)熱功率應(yīng)達(dá)到最大值。但等溫量熱儀測(cè)量存在的熱滯后效應(yīng)導(dǎo)致放電結(jié)束后熱功率曲線需要經(jīng)過一定時(shí)間才能衰減為零。此處定義放電結(jié)束后功率從峰值衰減至峰值1/e的時(shí)間τ為熱滯后時(shí)間常數(shù)。τ的大小與電池至加熱片之間非穩(wěn)態(tài)傳熱的時(shí)間常數(shù)相關(guān)。如圖2所示，對(duì)于厚度為80mm的#2電池，τ?=1134，明顯大于#1電池的計(jì)算結(jié)果（τ?=218），說(shuō)明電池厚度增加會(huì)顯著影響電池產(chǎn)熱測(cè)量的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，這可能是由于電池?zé)崛莺蛢?nèi)部熱阻都與厚度正相關(guān)。
圖2 不同厚度LPF電池1C恒流放電產(chǎn)熱功率曲線
導(dǎo)熱硅膠墊通過形變填充電池與勻熱塊之間可能存在的空氣隙。本文選用0.5mm及3mm兩種不同厚度的墊片，搭配#1電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)墊片厚度對(duì)熱滯后效應(yīng)有一定貢獻(xiàn)，兩次實(shí)驗(yàn)熱滯后時(shí)間常數(shù)τ的差異在20%左右，說(shuō)明硅膠墊的熱阻與熱容的影響同樣不可忽視。
圖3 不同厚度的硅膠墊條件下電池#1恒流1C放電產(chǎn)熱功率曲線
3. 不同工作溫度影響
圖4 不同溫度條件下電池#3恒流1C放電產(chǎn)熱功率曲線
不同工作溫度下電池產(chǎn)熱特性存在差異。如圖4，在45℃條件下#3電池產(chǎn)熱功率略小于25℃下的結(jié)果，但兩者的熱滯后時(shí)間常數(shù)基本一致?？梢猿醪秸J(rèn)為溫度與熱滯后沒有明顯關(guān)聯(lián)性，這可能是由于溫度小幅度變化對(duì)系統(tǒng)傳熱特性幾乎沒有影響。
4．熱滯后修正
根據(jù)上文的結(jié)果，熱滯后問題在實(shí)際測(cè)量中難以完全消除。為了能夠反映電池真實(shí)的瞬態(tài)產(chǎn)熱過程，需要對(duì)儀器測(cè)定的熱功率曲線進(jìn)行修正。本文通過推導(dǎo)系統(tǒng)非穩(wěn)態(tài)傳熱方程得到簡(jiǎn)化后的一階校準(zhǔn)公式，如下所示：
修正前后的產(chǎn)熱功率曲線如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)修正后的曲線幾乎消除了放電結(jié)束后的功率衰減時(shí)間，能夠更好地反映電池瞬態(tài)產(chǎn)熱特性。
圖5 熱滯后修正前后電池放電產(chǎn)熱功率曲線
實(shí)驗(yàn)結(jié)論
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電池厚度對(duì)電池產(chǎn)熱功率測(cè)量熱滯后效應(yīng)的貢獻(xiàn)最大，導(dǎo)熱附件也具有明顯影響，而實(shí)驗(yàn)溫度的影響則較小。同時(shí)，基于動(dòng)態(tài)傳熱方程可以對(duì)熱滯后進(jìn)行修正，修正結(jié)果接近電池瞬態(tài)生熱特性，更有利于鋰電池產(chǎn)熱機(jī)理研究。
