一种圆柱电池生热率的测定方法与测定装置

本发明涉及储能电池热管理，尤其涉及到一种圆柱电池生热率的测定方法与测定装置。

背景技术：

1、动力电池的安全问题主要是由于电池温度过高引发的热失控导致的，故对动力电池热特性的研究引起了新兴新能源产业研究者的广泛关注。动力电池热失控主要是由于其不完善的热管理系统造成的，因此设计出一套有效的热管理系统对抑制动力电池的热失控是至关重要的。生热率作为电池一个基础热特性参数，它表征了电池在单位时间内的生热量。动力电池生热率的大小决定了其温升的幅度，因此精确测量电池的瞬时产热率对设计出一套合适且完美的热管理系统是必要的。

2、为了解决上述问题，专利号为201810870549.4的发明专利公开了一种动力电池的生热率测试方法，该方法首先通过对动力电池在工作过程中的热量损失和温度变化进行测量，然后拟合动力电池平均温度随工作时间的函数方程求得方程的一阶导数从而获取电池的温降速率，最终获得校准热量损失后的电池生热率，该测试过程简便，易于操作，但其测量前需进行热量损失测定，故所需测试时间较长。

3、另外，专利号为201510487355.2的发明专利公开了一种充放电条件下锂离子电池生热量的估算方法，该方法测试了锂电池在外部电加热条件下的情况，运用微分热平衡方程确定锂离子电池在不同电加热功率下的热量损失与温度的曲线关系，最后根据不同环境温度、不同放电倍率下锂离子电池自产热的温升曲线，基于微分热平衡方程计算出电池的生热率。该测试方法考虑了热量损失对锂离子测量产生的影响，提高了测试精度，但测试参数多，测试时间长，过程繁琐。

4、因此，我们有必要对现有的方法进行改善，以克服上述缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种圆柱电池生热率的测定方法与测定装置，能够实现对圆柱电池进行原位无损测量，并且不需要额外校准过程，测量时间短，测量结果更加准确。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种圆柱电池生热率的测定方法，包括如下步骤：

4、s1.以待测电池为中心，在其周围设置若干热防护电池；所述待测电池的正极和负极处设置有用于连接充放电测试的待测电池导线，所述热防护电池的正极和负极分别通过一环形铜片并联连接，以形成电池组；在环形铜片上设有用于连接充放电测试的环形铜片导线；

5、s2.在所述待测电池靠近上、下端面和中心位置分别设置一热电偶，在若干热防护电池中的一颗靠近上、下端面位置设置以一热电偶，在所述环形铜片处分别设置一热电偶；在所述待测电池中心位置处设置热流计，热流计通过热流计导线外接数据采集仪以输出其温度和电压信号；

6、s3.采用绝热材料包括电池组的包覆电池组的顶部、侧面和底部，以形成测试段；接着将电池组放置于温控箱内，并将待测电池导线和环形铜片导线分别连接充放电测试仪的放电夹，以进行充放电测试；

7、s4.在温控箱内设置一热电偶，且分别将设置在待测电池、热防护电池、环形铜片和温控箱处的热电偶与数据采集仪连接，并输出温度信号和电压信号；

8、s5.将温控箱内的温度保持在初始温度不变，当电池温度与箱内温度在达到热1平衡后，通过充放电测试仪给测试段充放电，热防护电池并联，中心待测电池单独控制，记录待测电池侧面温度的变化、环形铜片温度的变化及热防护电池温度的变化，通过数据采集仪记录电池从开始放电到放电截止过程中的温度和电压信号；

9、设待测电池质量为m，电池的平均生热率为ps，电池放电时间为t，放电截止时电池与环境的温差为δts，则根据能量守恒定律电池的平均生热率ps可表示为：

10、

11、

12、式中：qloss为测试散失的热损，ploss1和ploss2为待测中心电池侧面散热功率和电池上下端面散热功率，侧面散热功率由侧面贴敷的热流计测得：

13、

14、式中：δv是热流计输出的热通量电压，scalib是经温度校准后的传感器转换因子灵敏度，单位：v/(℃·w)，在热流计校正实验中测得为1.2v/(℃·w)，tsen是传感器温度，a是电池侧面面积；

15、电池上下端面散失的热量由环形铜片温升近似求得：

16、

17、式中：ccu是铜片的比热，mcu1是上端的环形铜片的质量，mcu2是下端的环形铜片的质量，是环形铜片的温升速率；

18、s6.放电结束后对电池组降温，降至室温后静置一段时间，将电池组充满电以备下一轮测试需要。

19、进一步的，步骤s1中所述的待测电池和热防护电池的内阻和容量相同，以保证待测电池和热防护电池的放电时间相同。

20、进一步的，步骤s1中所述的环形铜片为薄小型结构，在环形铜片上设有连接孔，连接孔尺寸小于电池的正极或者负极极片，通过连接孔施加焊锡，使得电池正负极与铜片紧密焊接，避免虚焊，从而降低了接触电阻产热并均衡周围热保护电池的电压与温度。实测的铜片到电池电极之间的电阻都在1毫欧左右或者之内，远远小于电池的内阻，降低了因导线接触不良产生的接触电阻，提高了电池组均衡性和测量精度。

21、进一步的，步骤s2中所述的热电偶为线径0.25mm的t型热电偶，在温度范围内测量容差值为±0.4％。

22、进一步的，步骤s3中所述的热流计为基于热电材料的膜状，1微伏精度，在热流计与待测电池侧面之间均匀涂抹有导热硅脂来减少接触造成的测量误差。

23、进一步的，在步骤s4中所述的绝热材料为二氧化硅气凝胶，所述的待测电池的正负极单独连接充放电测试仪来精准控制其充放电，所述的热防护电池通过环形铜片并联连接，热防护电池的正极和负极通过环形铜片导线连接充放电测试仪。

24、进一步的，所述充放电测试仪在设置恒流放电工况前设置一步静置工况，静置时间间隔1min以保证所有同型号电池同时放电，从而更好的保证了电池放电时间的一致性。

25、进一步的，在步骤s4中，所述数据采集仪采集数据时间设置为1s，以保证采集数据的完整性。

26、进一步的，在步骤s5中，待测电池比热通过热防护法测得，根据中心待测电池的温升及比热值，结合热流计所测的侧面热量损失和环形铜片温升补偿的上、下端面热量损失来计算瞬时生热率和平均生热率。

27、一种圆柱电池生热率的测定装置，包括温控箱、放置在温控箱内的电池组、充放电测试仪、以及用于测量电池组的数据采集处理单元；

28、所述电池组包括若干圆柱电池，圆柱电池包括设置在中心位置的待测电池、以及围绕待测电池设置的若干热防护电池，所述待测电池和若干热防护电池通过环形铜片连接固定，在圆柱电池和环形铜片的外部包覆有绝热材料；

29、所述充放电测试仪包括第一测试支路和第二测试支路，第一测试支路通过待测电池导线连接待测电池的正极和负极，第二测试支路通过环形铜片导线连接热防护电池的正极和负极；

30、所述数据采集处理单元包括热流计和若干热电偶，热流计通过热流计导线连接数据采集仪以输出其温度和电压信号；热电偶的一端用于检测待测电池的侧面上端、中间位置和下端的温度和电压，热防护电池中一颗的侧面温度和电压，以及温控箱内的温度和电压，热电偶的另一端连接数据采集仪，计算机连接并控制数据采集仪。

31、综上所述，本发明具有以下有益效果：

32、1.本发明的圆柱电池生热率测定方法，通过布置相同规格型号的热防护电池，为待测电池创造出近似绝热的热环境，能够快速准确测量待测电池产热率而不需要额外热损校准过程。在测量电池生热率过程中也能同时测量侧面和端面的微量的热量损失，也不需要额外的热损校准过程，使得本方法测量时间短，精度高。

33、2.本发明的圆柱电池生热率测定方法，充分考虑了热量损失对锂离子测量产生的影响，通过布置在待测电池侧面的热流计以精准监控电池侧面散失的热损，同时通过在热防护电池上下端引入铜片，通过布置在铜片上的热电偶传感器获得铜片温升曲线，近似补偿了待测电池上下两端的热量损失，能够直接、准确测量圆柱电池的瞬时生热率和平均生热率。

34、3.本发明的圆柱电池生热率测定方装置，结构简单、便于操作，同时测量装置中通过开孔铜片并联连接热防护电池，一方面降低了接触电阻产热、均衡了热防护电池的电压与温度，避免因导线电阻引起的电压不一致而造成放电时间与待测电池差异大的影响，使得周围热防护电池放电时间与待测电池基本相同；另一方面通过铜片温升补偿了待测电池上下端的热量损失，以提高电池产热的测量精度。通过调节温控箱的初始温度和充放电测试仪的放电倍率并重复测量过程，能够测试不同温度工况和不同放电倍率下的圆柱电池生热率，可为圆柱电池厂家、电动汽车企业等机构提供可靠的圆柱电池生热率测试数据，并用于电池热管理与热失控防护设计。

35、4.本发明的圆柱电池生热率测定方法，考虑了热流计的温度校准，准确测定了电池在不同温度下热损率，测量适用于广泛温度范围，为电池生热率等热特性参数的测量提供了新的思路。