锂离子电池比热容的实验测试方法
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发布时间：2022-09-29 12:44
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时间：2024-10-22 15:47
前言
电芯为复合材料，需要得到电芯的比热容一般有两种方法：
(1)采用理论办法，通过对电芯各组分材料(已知比热容)进行质量加权平均，最终完成单个电芯平均比热容的计算；
(2)采用实验和理论的综合办法，在加速绝热量热仪（ARC）或自制绝热设备中对电芯进行充放电，记录电芯电压、温度、充放电时间等数据，再根据 Newman等人提出的电池热理论模型，理论计算得到电芯发热功率，最终通过公式Q=C m △T反算得到单个电芯平均比热容；
延伸阅读：锂电池发热模型，应用最广的是Newman的生热理论模型。模
型认为锂电池电化学反应的四个过程有热量产生，包括：
1、化学反应热Qr
2、极化反应热Qp
3、欧姆热Qj
4、电解质分解而产生的副反应热Qs
Q= Qr + Qp + Qj + Qs
这四类热量又被划分成两种性质，可逆热和不可逆热。反应热，在放电过程中放热，充电过程中吸热，称为可逆热。其余部分，热量产生以后，只有耗散掉这一个途径，称为不可逆热。
测试方法
方法1需要得到电芯内部所有的组成材料并且知道重量分布，这对于我们来说会相对困难，供应商也不会给我们这么详细的资料；
一般我们都是采用方法2去测量然后计算得到电芯的平均比热容，在方法2中需要使用到绝热环境，目前常用的设备为加速绝热量热仪（ARC），联系过国内的一些测试厂家，发现一个问题，此设备有容积限定，过大的电芯体积会导致放不进去设备内，当然也有少数的厂家有更大容积的设备，但测试价格也随之更高；
本文将通过自制一个近似绝热的简易设备来进行测量一款方形电芯的比热容，在最经济实惠的情况下能得到一个可以参考的比热容参数。
实验设备
待测电芯：某100Ah磷酸铁锂方形电芯
加热元件：硅胶加热片
隔热设备：纸箱，泡棉
测试设备：安捷伦温度测试仪和热电偶
实验准备
1.制作简易绝热设备，保证纸箱各个面都使用泡棉进行隔热，电芯底部使用塑料将电芯垫起，隔断电芯从底部传热，模型如图1，图2所示；
图1：绝热模型外观图
图2：绝热模型内部图
2.在电芯的各个面粘贴到热电偶，尽可能的使用多个热电偶进行测量，保证实验的准确度；
3.使硅胶加热片尽可能多的面积贴合在电芯，并且保证贴合紧密，减小接触热阻；
4. 明确电芯的工作温度*，此次实验使用的电芯最高工作温度为55℃，所以在测试中为了安全起见，测试温度不应该超过55℃；
实验过程简介
1.实测电芯的质量，测试得 电芯质量为2.3Kg ；
2.设定硅胶加热片的功率，硅胶加热片的内阻已知，可通过加热片的电压乘以电流得到加热片的发热量Q；
3.本次在电芯上共布置7个测温点，环境温度2个测温点，电芯6个面均有分布测温点，布置好测温点后将纸箱密封，放入温箱内，设定温度25℃，静置10h，保证纸箱内部环境温度为25℃；
4.设定加热片功率为28W，开始加热电芯，并记录温升数据。将电池静置10h，保证环境温度下降到25℃，调节加热片功率为15.75W，再次记录温升数据；
5.计算两次数据的平均温升速率， 选取温升速率刚稳定的前几分钟作为数据参考 ， 要求这段时间内温升速率相差不超过5%，计算这段时间内的平均比热容作为最终的比热容；
延伸阅读：为什么选取温升速率刚稳定的前几分钟作为参考数据？
在加热刚开始时，电芯的温升速率变化较大，所以此时间段不能代表正确的电芯在加热作用下的稳定温升速率，而在温升速率稳定之后，随着时间的加长，电芯的温度逐渐升高，而外界的温箱温度始终为25℃，电芯往外辐射的热量就更多，同理，加热片损失的热量也更多，故相同的发热量之下，计算得出的比热容也逐渐升高，此时的误差相对较大，所以选取选取温升速率刚稳定的前几分钟作为参考，是最有参考价值的数据；
数据整理
1.数据整理（28W发热量）
通过温升数据得出如图3的温升速率曲线图，可以看出在1 0~15min时间段内温升速率逐渐平稳，此时间段的温升速率为0.52±0.01℃/min,温升速率相差在正负2%之内，满足数据要求 ，计算10~15min时间段的数据作为平均比热容。
图3：28W发热量温升速率图曲线
计算可得10~15min时间段的 平均比热容为1380 J/（Kg·℃） ，由图4可以看出随着时间的加长，由于电芯及加热膜往外散失的热量增加，比热容也逐渐增大；
图4：28W发热量平均比热容曲线图
2.数据整理（15.75W发热量）
通过图5温升速率图可得，在 17-25min时间段，温升速率趋*稳，温升速率为0.285±0.01℃/min，温升速率相差在正负3.5%之内，满足数据要求 ，计算17~25min时间段的数据作为平均比热容。
图5：15.75W发热量温升速率图曲线
根据图6平均比热容曲线图，计算可得17~25min时间段的 平均比热容为1406 J/（Kg·℃）
图6：15.75W发热量平均比热容曲线图
3.仿真对比
选取28W发热量时，进行实测与仿真的温度对比，下图7为实测温度，30min结束，温度43℃，温升为18℃；
图7：28W发热量30min实测温升速率图
按照实际测试模型的尺寸在flotherm中按照1:1建立模型，如图8所示；
图8：flotherm仿真模型
比热容设置为1380 J/（Kg·℃），仿真30min结束，温升曲线图如图9，电芯温度为40.4℃，温升15.4℃，比实测温升低了2.6℃，误差约为14%
图9：28W发热量30min仿真温升曲线图
总结
1.在此次实际测试中使用两次不同发热量进行实验，在发热量为25W时，计算得此方形电芯平均比热容为1380 J/（Kg·℃），在15.75W发热量时，计算得电芯平均比热容为1406 J/（Kg·℃）两次测试所得平均比热容数值相差2%左右，说明测试方法可行；
2.通过Flotherm软件进行1:1建立测试模型，仿真结果与测试数据相差14%，主要原因为测试数据未考虑加热片散失的热量；
3.此测试方案不足之处：
a.未考虑损失的热量，加热片的发热量并不是全部用于电芯的加热，一部分加热空气，还有一部分通过辐射去到箱外。
b. 未考虑箱体不完全绝热的问题，箱体会通过辐射散热一部分热量。所以需要更精确的结果的话，做好箱体的绝热以及尽可能减小箱体的体积。
THE END
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