一种用于电池产热量的测试和估算方法与流程

本发明涉及电池产热量测试技术领域，特别涉及一种用于电池产热量的测试和估算方法。

背景技术：

锂离子电池在工作过程中会发热，对使用过程有很大影响，因此在各种含锂离子电池的产品生产设计时，需要关注电池的产热量并进行计算。尤其是电动车行业，电动车的电池包含有上百个电池串并联组成的电池包，如果单个电池的产热量测量误差较大，那么在电池包整体的发热量计算上这种误差就会被放大，可能导致严重后果。因此需要对单个电池的产热量进行较精确的计算。

当前业界广泛采用bernardi方程计算电池产热量：

式中，e表示平衡电动势(单位v)，u表示电池工作电压(单位v)，i表示工作电流(单位a)，t表示电池热力学温度(单位k)，q表示产热量(单位w)，de/dt为温熵系数。

bernardi方程中，i(e-u)可根据已获取参数后的等效电路以及电池的实际负载(放电电流或者放电功率等)进行计算。而(i*t*de/dt)难以计算，因为要简单、方便、准确的获得de/dt值不容易。例如，通过等效电路参数获取过程得到的平衡电动势e随温度和soc变化的关系，再直接计算出e随温度的变化率de/dt。但是这种方式算不准，因为e随温度的变化非常小，测试e值时精度往往不够高，轻微的误差会造成de/dt变化很大。而且，当前使用的这种方法均需要相应的专业设备，流程繁琐，耗时较长。有些时候非电池生产商在使用这些电池进行配套时，可能没有条件、时间做这些测试。

因此，需要一种能准确且方便计算电池产热量的方法。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于电池产热量的测试和估算方法，能够准确且方便的计算电池产热量。

为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

一种用于电池产热量的测试和估算方法，包括如下步骤：

s101、准备待测电池、负载加载装置、放置箱、数据记录设备、第一温度传感器和第二温度传感器；

s102、将电池表面贴上第一温度传感器，将电池与负载加载装置电连接，然后将电池放入放置箱内；在放置箱外贴上第二温度传感器；第一温度传感器、第二温度传感器均与数据记录设备信号连接；

s103、第一阶段，通过负载加载装置对电池进行充电，使soc从0％到达第一阈值；第二阶段，当soc到达第一阈值时，停止充电，使电池静置，直到电池表面温度回落到预设温度值；第三阶段，通过负载加载装置对电池进行放电，使soc到达第二阈值；

s104、通过数据记录设备和负载加载装载分别记录第一阶段、第二阶段和第三阶段的测试数据；测试数据包括第一温度传感器测量的电池表面温度、第二温度传感器测量的空气温度；电池充电、放电时的电流、电压，以及soc过程数据；

s201、建立如下方程：

式中，m表示电池的质量，c表示电池平均比热容，tbat为电池表面温度平均值，tamb为空气温度平均值，a为箱子与环境空气接触的表面积，h为环境与箱子外表面对流换热系数；

s202、整合方程eq2和方程eq3获得：

s203、根据电池在第二阶段静置过程时电流为0，将方程eq4调整为：

s204、将第二阶段测试数据代入eq5中计算出h值；通过电池的等效电路计算i[(e-u)的值；

s205、将第一阶段的测试数据代入eq4中，计算出电池充电时随时间的变化曲线；将第三阶段的测试数据代入eq4中，计算出电池放电时随时间的变化曲线；

s206、基于soc过程数据，分别计算出充电时随soc变化曲线和放电时随soc变化曲线；

s207、基于方程：计算电池产热量。

基础方案原理及有益效果如下：

本方案中，测试的设备除了电池外，只需要负载加载装置、放置箱、数据记录设备、第一温度传感器和第二温度传感器；测试设备总体上需求较少，对设备的专业性要求不高，易于获得，而且测试过程简单，步骤较少，即使对于非电池生产商，也可以很方便的进行测试。

本方案中，通过将电池置于放置箱中,使放置箱进行隔热，分第一阶段(也就是充电阶段)、第二阶段(也就是静置阶段)、第三阶段(也就是放电阶段)测试；使用负载加载装置控制充电、放电阶段的电流并记录电流、电压、soc过程数据；使用数据记录设备记录三个阶段的电池表面温度和放置箱附近的空气温度。使用静置阶段的测试数据计算环境对电池的影响数值，将该数值结合充、放电阶段测试数据计算出充、放电阶段的温熵系数，能得到较为准确的温熵系数。利用该温熵系数也就能准确的计算电池产热量。

进一步，所述s101中，还准备隔热材料；s102中，还用隔热材料将电池完全包裹，然后将包裹后的电池放入放置箱内。

通过隔热材料将电池完全包裹，能避免外部温度对电池造成的影响，能使电池表面温度的测量结果更为准确。

进一步，所述s103中，第一阈值大于95％，第二阈值小于5％。

能使电池进行大幅度的充电和放电，以便获得充足的测试数据。

进一步，所述s101中，还将测试房间温度维持稳定。

房间温度维持稳定，可以有效避免房间温度波动对测试的影响。

进一步，所述s103中，预设温度值为当前房间温度增加1～2℃。

根据当前房间温度设定预设温度值，测试对环境的适应性好。

进一步，所述第一温度传感器的数量为5个，分别固定在电池的四个角以及中部。

便于对电池表面温度进行充分的测量，避免单个第一温度传感器测量带来的误差。

进一步，所述第二温度传感器的数量为5个，分别固定在放置箱的顶面和放置箱的四个侧面上。

便于对空气温度进行充分的测量，避免单个第二温度传感器测量带来的误差。

进一步，所述放置箱为泡沫箱。

泡沫箱兼顾隔热效果好和成本较低两大优点。

进一步，所述隔热材料为隔热棉。

隔热棉隔热效果好，且成本较低。

进一步，所述电池为锂电池。

在电动车行业，锂电池是主流，对锂电池的温熵系数进行测量，应用的范围较广。

名词解释：soc(stateofcharge)，即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。其取值范围为0％～100％，当soc＝0％时表示电池放电完全，当soc＝100％时表示电池完全充满。

附图说明

图1为一种用于电池产热量的测试和估算方法实施例一中，测试时电池放置示意图；

图2为一种用于电池产热量的测试和估算方法实施例一中rint模型电路图；

图3为一种用于电池产热量的测试和估算方法实施例一中1阶rc模型电路图；

图4为一种用于电池产热量的测试和估算方法实施例二中承载箱的纵剖图；

图5为一种用于电池产热量的测试和估算方法实施例二中承载箱的俯视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的标记包括：电池1、泡沫箱2、隔热棉3、第一温度传感器4、箱体5、箱盖6、左门体7、右门体8、左转轴9、右转轴10、左扭簧11、右扭簧12、左插销13、右插销14。

实施例一

本实施例的一种用于电池产热量的测试和估算方法，包括如下步骤：

s1、测试步骤；

s101、准备待测电池1(本实施例中，待测电池1横截面为矩形，事先放电到soc为0％)，负载加载装置(本实施例中，负载加载装置可以控制电池1的充放电电流和功率)，放置箱、数据记录设备、隔热材料、第一温度传感器4和第二温度传感器。本实施例中，负载加载装置采用电池充放电测试仪，数据记录设备采用imccansas，在其他实施例中，也可以采用其它数据采集器。将测试房间温度维持稳定；本实施例中，通过空调来维持房间温度稳定。本实施例中，放置箱具体采用白色的立方体形状的泡沫箱2，在其他实施例中，也可以采用保温效果较好，且内部空间大于电池1体积的其他箱子；隔热材料采用隔热棉3。本实施例中，第一温度传感器4和第二温度传感器采用相同的温度传感器，描述时采用第一和第二只是便于进行区别。

s102、如图1所示，将电池1表面均匀贴上第一温度传感器4(本实施例中，第一温度传感器4的数量为5个，分别贴在电池1的四角以及中部)，将电池1与负载加载装置电连接(本实施例中，具体用导线连接)，用隔热材料将电池1完全包裹，然后将包裹后的电池1放入放置箱内；在放置箱外四周贴上第二温度传感器，(本实施例中，第二温度传感器的数量为5个，分别贴在放置箱的顶面和放置箱的四个侧面上)。第一温度传感器4、第二温度传感器均与数据记录设备信号连接；

s103、第一阶段，通过负载加载装置对电池1进行充电，使soc从0％达到第一阈值；第一阈值大于95％，本实施例中具体为96％。充电电流的选择和实际应用场景一致即可，本实施例中，充电电流为脉冲电流，在其他实施中，也可以是连续电流。

第二阶段，当soc充到第一阈值时，停止充电，使电池1静置，直到温度回落到预设温度值，预设温度值为当前房间温度增加1～2℃，本实施例中为当前房间温度增加1℃。

第三阶段，通过负载加载装置对电池1进行放电，使soc到达第二阈值。第二阈值小于5％，本实施例中具体为3％。放电电流可根据实际应用情况确定。

s104、从数据记录设备和负载加载装置获取第一阶段、第二阶段和第三阶段的测试数据；测试数据包括第一温度传感器4测量的电池1表面温度、第二温度传感器测量的空气温度；电池1充电、放电时的电流和电压，以及soc过程数据。本实施例中，soc过程数据指电池1soc随时间变化的数据，例如充电0-10mins时，soc从0％到15％；本实施例中，电池充放电测试仪自带soc过程数据计算功能；也可以自行计算：放电时，soc过程数据可以通过电池1的初始容量减去用掉的电量获得，用掉的电量根据电池1放电电流、电压计算，充电时计算原理相同。

s2、数据处理步骤；

s201、将电池1当做均匀发热体并建立如下方程：

式中，m表示电池1的质量，c表示电池平均比热容，tbat为电池1表面温度平均值，tamb为空气温度平均值，a为箱子与环境空气接触的表面积；dt为电池1温度对时间的导数；上述参数均为已知量，例如电池1表面温度平均值可以根据5个第一温度传感器4测量的电池1表面温度求平均值得到，空气温度平均值同理可得；电池平均比热容可以通过其它测试获得，通常一般电池生产厂家会做相关试验并提供该项数据。比如电池厂家直接给出该电池1的平均比热容为1160j/(kg*k)；h为环境与箱子外表面对流换热系数(h为常数，不随时间变化)。

s202、整合方程eq2和eq3获得：

s203、根据电池1在第二阶段静置过程时电流为i＝0，将方程eq4调整为：

s204、将第二阶段测试数据代入eq5中计算出h值；

通过电池1的等效电路计算i[(e-u)的值；常用等效电路有rint模型(如图2所示)、1阶/2阶/n阶rc模型(如图3所示)、pngv模型等。模型之间的差别在于对电池1工作“外特性”模拟的精度不同。这些等效电路模型可以通过特定的方法获取参数后即可模拟电池1工作时的电流、电压、内阻等“外特性”参数。这部分属于现有技术，这里不再赘述。

s205、将第一阶段的测试数据代入eq4中，计算出电池1充电时随时间的变化曲线；将第三阶段的测试数据代入eq4中，计算出电池1放电时随时间的变化曲线；

s206、基于soc过程数据，分别计算出电池1充电时随soc变化曲线和放电时随soc变化曲线。因为电池1充电、放电时随时间的变化曲线中，和时间是相关的；soc过程数据中，soc的值和时间也是相关的；所以将soc过程数据代入电池1充电、放电时随时间的变化曲线中，就能求出电池1充电、放电时随soc变化曲线；换句话说已知y＝f(x)，z＝f(x)；那么可以转换得出z＝f(y)。

s207、基于bernardi方程：计算电池1产热量。

本实施例中，电池1均指锂离子电池。

实施例二

如图4和图5所示，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，还包括承载箱，承载箱包括箱体5、箱盖6、对开门机构、插销组和固定绳；箱体5与箱盖6焊接。箱盖6上开有矩形口；矩形口的表面积大于放置箱的正投影面积。

对开门机构包括左门体7、右门体8、左转轴9、右转轴10、左扭簧11和右扭簧12。

左转轴9的两端分别与矩形口左侧的前侧壁和后侧壁转动连接，左门体7的左端与左转轴9焊接连接，左扭簧11穿过左转轴9，左扭簧11一端与矩形口的左侧壁焊接，左扭簧11另一端与左门体7焊接。左门体7能以左转轴9的轴线转动，左门体7初始状态为平行于箱盖6表面，左门体7最大转动位置为垂直于箱盖6表面；左扭簧11用于在左门体7不受力时，使左门体7处于平行于箱盖6表面的初始状态。

右转轴10的两端分别与矩形口右侧的前侧壁和后侧壁转动连接，右门体8的右端与右转轴10焊接，右扭簧12穿过右转轴10，右扭簧12一端与矩形口的右侧壁焊接，右扭簧12另一端与右门体8焊接。右门体8能以右转轴10的轴线转动，右门体8初始状态为平行于箱盖6表面，右门体8最大转动位置为垂直于箱盖6表面；右扭簧12用于在右门体8不受力时，使右门体8处于平行于箱盖6表面的初始状态。

当左门体7和右门体8均处于初始状态时，左门体7和右门体8之间留有间隙。通过设置间隙能方便电池充放电测试仪等的数据线通过。

左门体7和右门体8上分别开有第一绳孔和第二绳孔。箱盖6上开有第一插销槽和第二插销槽，第一插销槽和第二插销槽分别正对左门体7和右门体8；插销组包括左插销13和右插销14，左插销13焊接在第一插销槽内，右插销14焊接在第二插销槽内；左插销13用于插入左门体7内，使左门体7保持初始状态；右插销14用于插入右门体8内，使右门体8保持初始状态。

放置箱的底面开有第三绳孔和第四绳孔；第一绳孔与第二绳孔的间距等于第三绳孔和第四绳孔的间距。放置箱的高度与左门体7或右门体8的宽度(宽度指左门体7或右门体8从左到右的距离)之和小于承载箱的高度。

s102中，还用固定绳穿过第一绳孔和第二绳孔，将左插销13插入左门体7内，将右插销14插入右门体8内；将放置箱放于左门体7和右门体8之上，使第三绳孔对准第一绳孔，第四绳孔对准第二绳孔。用固定绳再穿过第三绳孔和第四绳孔；将固定绳的两端在放置箱内系紧；拔出左插销13和右插销14。

由于测试中电池1被完全包裹，散热不良，可能会引起自燃。当测试过程中电池1出现自燃后，固定绳会被烧断，左门体7和右门体8失去固定，不再能承载放置箱，左门体7和右门体8向下转动，放置箱掉入承载箱内。左门体7和右门体8分别在左扭簧11和右扭簧12的作用下恢复初始状态，承载箱封闭；起到隔绝放置箱的目的。由于放置箱多采用泡沫箱2，燃烧快；本实施例可以将泡沫箱2隔绝在放置箱内，避免火势的蔓延，也可以给实验人员充足的处理时间。承载箱结构简单，成本低，只需要更换固定绳就可以重复使用，便于大面积推广。

以上的仅是本发明的实施例，该发明不限于此实施案例涉及的领域，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。