一种锂离子电池内部温度监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于锂离子电池技术领域，更具体地说，涉及一种锂离子电池内部温度监 测方法。
【背景技术】
[0002] 锂离子电池出现在20世纪90年代初期，在短短二十几年的时间里，锂离子电池技 术得到了空前的发展。目前，锂离子电池性能无论是比能量、比功率、工作电压还是使用寿 命都比铅酸电池、镍氢电池优良，逐步成为动力电池的发展方向。随着锂离子电池的安全性 能、低温放电性能的改进，以锂离子动力电池为动力源的电动汽车也越来越多，展现出非常 广阔的应用前景。但作为化学电源，锂离子电池在充放电时伴随着复杂的化学、电化学反应 过程和物质传输过程，这些反应过程中产生的热量和其他因素共同影响电池温度的变化。 温度对锂离子电池的各方面性能都有影响，包括电池的工作状况、循环效率、一致性、容量 和功率等，进而会影响到电动汽车的性能、可靠性、安全性和寿命等。
[0003] 目前，传统监测锂离子电池温度的方法是测量电池表面温度，这样测得的温度不 能准确反应出电池内部的实际状况，无法为锂离子电池内部温度控制提供准确的信息。另 外，也有通过内置温度传感器来测量电池的内部温度，但这一方法只能在电池生产过程中 进行，对已有电池并不适用。
[0004] 锂离子电池内部温度是影响电动汽车作用性能的重要因素，但现有电池的内部温 度无法直接测量，大多通过三维热模型获得电池内部温度场，但该方法的计算量太大，无法 在实车上应用。另外可以用简单一维热模型或集中质量模型估计电池内部温度，但模型估 计精度较低，无法满足实车需求。
【发明内容】
[0005] 本发明克服了现有技术中上述缺陷，提出一种锂离子电池内部温度的监测方法， 以便于监控锂离子电池内部的温度，消除内部高温隐患，进而提高锂离子电池的安全性。
[0006] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] -种锂离子电池内部温度监测方法，包括如下步骤：
[0008] 1)首先利用充放电测试仪对锂离子电池进行不同环境条件下的充放电实验，测量 充放电过程中锂离子电池表面温度变化曲线；
[0009] 2)在充放电实验过程中，测试锂离子电池内阻以及开路电压温度系数，建立基于 可变产热速率的电热耦合模型；
[0010] 3)利用建立的锂离子电池电热耦合模型，对不同环境条件下的电池产热过程进行 三维仿真，并获取温度变化仿真曲线；
[0011] 4)再通过对步骤2)获得的表面温度变化曲线和步骤3)获得的仿真曲线进行比较 分析，对电热耦合模型进行优化；
[0012] 5)然后分析锂离子电池内部温度与不同环境因素的影响，构建电池内部温度模 型，并进行验证；
[0013] 6)基于步骤5)构建的锂离子电池内部温度模型，根据不同环境因素，对电池内部 温度进行实时监测。
[0014] 所述的环境条件是指环境温度、不同充放电倍率以及散热系数条件；所述的环境 因素是指充放电电流、电池表面温度以及放电深度（Depth ofdischarge, D0D)。
[0015] 所述的步骤1)中电池充放电实验过程中，电池表面共布置11个测试点，考虑到正 负极耳处温度与其他表面有较大差异，分别布置2个温度传感器于电池极柱。
[0016] 所述的步骤2)中测试电池内阻时，采用混合脉冲功率特性测试方法，测试方法简 单快捷。
[0017] 所述的步骤2)中电池开路电压温度系数测试过程中，先将电池恒流恒压充电至 满电状态，静置3小时；之后放于高低温箱中，设置初始温度5°C，并且每5小时调换一次温 度至15°C和25°C，测量电池的开路电压在不同温度下的变化。
[0018] 所述的步骤4)中对电池产热过程的仿真曲线进行比较分析时，电池生热速率设 定为变量，随着放电深度的增加不断变化，使其更加符合实际。
[0019] 所述的步骤5)中通过分析电池内部温度与电池的放电深度、充放电电流以及电 池表面温度的关系，建立电池内部温度模型来估算内部温度。
[0020] 本发明的有益效果是：本发明提出的锂离子电池内部温度监测方法中，为能全面 体现电池表面各处的温度，将11个温度传感器的头部紧密地贴在单体电池的表面，保证温 度测量的准确性，考虑到正负极耳处温度与其他表面有较大差异，分别布置2个温度传感 器于电池极柱。使用Arbin充放电测试仪在室温下，以0. 5C恒流充电至3. 6V，转恒压充电， 当电流降至10%时，充电结束，搁置2h，然后分别以1C、2C、3C放电，至电压2.5V时放电结 束。充放电过程中，利用温度传感器对锂离子电池表面温度进行实时测量。
[0021] 本发明提出的锂离子电池内部温度监测方法中，电池内阻采用混合脉冲功率特性 测试方法（HPPC)，测试方法简单快捷。该方法使用一组放电脉冲和充电脉冲计算得到电池 在不同DOD下的放电和充电内阻。
[0022] 本发明提出的锂离子电池内部温度监测方法中，为了更精确地评估开路电压与温 度之间的关系，可求取电池开路电压温度系数。将电池恒流恒压充电至满电状态，静置3小 时；之后放于高低温箱中，设置初始温度5°C，并且每5小时调换一次温度至15°C和25°C， 测量电池的开路电压在不同温度下的变化。以此方法，分别测量电池在不同DOD状态下开 路电压的温度变化系数。
[0023] 本发明提出的锂离子电池内部温度监测方法中，建立锂离子电池热效应模型时， 假设电池单体是一个独立的封闭系统，其与外界没有物质的交界，只进行热量的交换。而且 对电池的结构材料进行简化，假设电池内部材料各部分是均匀的，比热容不变，在同一方向 上，电池的热导率相等且不受电池荷电状态（SOC)和温度的影响。
[0024] 本发明提出的锂离子电池内部温度监测方法中，基于建立的离子电池电热耦合模 型，采用仿真分析的方法来分析不同环境条件下对电池温度场的影响。仿真分析软件为 ANSYS商业软件，ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的 温度，并获得温度变化仿真曲线。
[0025] 本发明提出的锂离子电池内部温度监测方法中，由于电池的放电过程是一个典型 的有时变内热源的瞬态导热过程，放电过程中电池的生热速率随着放电深度的增加呈现上 升的趋势。因此，本发明将电热耦合模型的温升速率设定为变量，随着放电深度的增加不断 变化，特别是在放电后期温升速率上升很快，使其更加符合实测结果。然而，目前大多数锂 电池热模型仿真过程中，将电池的生热速率设定为常数，很显然不符合实际要求。
[0026] 本发明提出的锂离子电池内部温度监测方法中，通过分析锂离子电池内部温度与 电池的放电深度、充放电电流以及电池表面温度的关系，建立电池内部温度模型来估计内 部温度。该模型的计算结果与电热耦合模型的仿真结果相差很小，计算方法简单易行，可以 满足实时监测锂离子电池内部温度。
[0027] 与现有技术相比，本发明建立了基于可变产热速率的电热耦合模型，并在实验中 验证了模型的有效性。在此基础上，给出了电池内部温度的多项式函数估算方法，通过与仿 真模型计算结果对比，该方法能较好地满足电池内部温度监测的需求。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明锂离子电池内部温度监测方法的流程图；
[0029] 图2是本发明实施例中锂离子电池不同放电倍率下的温度变化曲线；横坐标为电 池放电时间，纵坐标为电池表面温度；
[0030] 图3是本发明实施例中混合脉冲功率特性测