文章來(lái)源：1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司；2.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心 1引言 對(duì)于鋰離子電池而言，其電性能、壽命和安全性都受電池工作溫度的影響。高溫會(huì)加快鋰離子電池的衰減速率，降低電池的循環(huán)壽命 ，低溫不僅會(huì)對(duì)電池壽命造成影響，甚至還會(huì)誘發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)（例
文章來(lái)源：1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司；2.中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心
對(duì)于鋰離子電池而言，其電性能、壽命和安全性都受電池工作溫度的影響。高溫會(huì)加快鋰離子電池的衰減速率，降低電池的循環(huán)壽命 ，低溫不僅會(huì)對(duì)電池壽命造成影響，甚至還會(huì)誘發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)（例如：低溫大電流倍率充電容易造成鋰枝晶的產(chǎn)生）。為一 款電池設(shè)計(jì)可靠的熱管理系統(tǒng)，其中極為重要的一環(huán)便是精確測(cè)定電池?zé)嵛镄詤?shù)和產(chǎn)熱特征，其中熱物性參數(shù)主要包括電池比熱容和各向異性的導(dǎo)熱系數(shù)，該參數(shù)主要是用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真中傳熱過(guò)程的準(zhǔn)確模擬。產(chǎn)熱特征則包括電池在一定工況下的溫度變化、瞬時(shí)/平均產(chǎn)熱功率和總產(chǎn)熱量等，該特征一方面用于為熱管理系統(tǒng)散熱量計(jì)算提供依據(jù)，另外一方面可以用來(lái)驗(yàn)證電池?zé)崮Ｐ偷姆抡婵煽啃浴?/section>針對(duì)電池的產(chǎn)熱特性，目前主流的量化分析實(shí)驗(yàn)手段包括加速絕熱量熱儀（ AcceleratingRateCalorime ? rimeter，IBC），如表1中所示。相比較而言，采用ARC在電池產(chǎn)熱特性研究領(lǐng)域應(yīng)用度更廣。電池的產(chǎn)熱特性對(duì)于其安全、高效使用極其重要，因此，越來(lái)越引起人們的關(guān)注。合適、高效的電池?zé)崽匦粤炕治鍪侄文壳靶枨笃惹?，本文試圖從測(cè)試原理、模擬場(chǎng)景、測(cè)試樣品尺寸、數(shù)據(jù)分析過(guò)程以及測(cè)試結(jié)果等多角度，對(duì)比上述2種方法的異同，以期望為產(chǎn)品研發(fā)和科研人員提供有益參考。等溫量熱法基于等溫量熱儀（ IBC）和功率補(bǔ)償法進(jìn)行電池產(chǎn)熱量的精確測(cè)試。測(cè)試中，將電池置于IBC測(cè)試腔中，測(cè)試腔與電池表面通過(guò)導(dǎo)熱材料接觸，盡量減小接觸熱阻。電池表面布置加熱器，該加熱器 的功率通過(guò)控制器精確控制。首先將設(shè)備循環(huán)器（冷卻或加熱系統(tǒng)）及測(cè)試腔溫度加熱或冷卻到低于目標(biāo)測(cè)試溫度以下的某一溫度。維持循環(huán)器及設(shè)備測(cè)試腔內(nèi)的溫度恒定，用精密功率控制的加熱器把待測(cè)電池樣品加熱到目標(biāo)溫度。待電池溫度穩(wěn)定后，通過(guò)充放電設(shè)備控制電池按照一定的工況進(jìn)行充放電測(cè)試。如果電池對(duì)外放熱，則系統(tǒng)溫度有上升的趨勢(shì)，溫度 傳感器反饋至設(shè)備并控制減少加熱器功率，以維持電池溫度不變，加熱器減少的功率即為電池的放熱功率 （即所謂的功率補(bǔ)償原理）。與之相對(duì)應(yīng)的，如果電池吸熱，則控制加熱器增加功率，增加的部分即為電池的吸熱功率。通過(guò)計(jì)算加熱器的功率變化，來(lái)間接計(jì)算電池產(chǎn)生或者吸收的熱量。絕熱量熱法是基于加速量熱儀（ ARC）提供的1種近似絕熱環(huán)境下的熱量測(cè)試分析方法，最早是由美國(guó)陶氏化學(xué)公司在上世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，80年代經(jīng)美國(guó)哥倫比亞科學(xué)公司進(jìn)行了商業(yè)化。具體過(guò)程包括以下步驟：將被測(cè)樣品放置在 ARC設(shè)備腔體內(nèi)后，將設(shè)備上蓋合畢，對(duì)腔體做密封處理。腔體的四周及上下部都配有溫度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)腔體內(nèi)環(huán)境的溫度變化。此外，腔體內(nèi)有用來(lái)監(jiān)測(cè)被測(cè)樣品的熱電偶，熱電偶的數(shù)量和測(cè)試位置取決于被測(cè)樣品的尺寸形狀及測(cè)試目的。通過(guò)對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行精準(zhǔn)的溫度變化跟蹤，腔體進(jìn)行相應(yīng)的溫度跟隨和熱量補(bǔ)償，保持腔體環(huán)境和被測(cè)樣品溫度一致，避免被測(cè)樣品與環(huán)境進(jìn)行熱交換，從而為被測(cè)樣品提供1種近似絕熱的 環(huán)境。在絕熱環(huán)境下，被測(cè)樣品的熱量積累及溫度變 化只與自身的熱特性和反應(yīng)有關(guān)，獲取電池溫升后，在已知電池質(zhì)量和比熱容的前提下即可以通過(guò)式（1）和式（2）分別計(jì)算電池的產(chǎn)熱量和瞬時(shí)產(chǎn)熱功率。式中， Q為電池的產(chǎn)熱量；m為電池質(zhì)量；Cp為電池比熱容；T為電池溫度；q為電池產(chǎn)熱功率；t為時(shí)間。電池在充放電循環(huán)過(guò)程中會(huì)不斷地產(chǎn)生熱量，采 用ARC的測(cè)試模擬法是電池在沒(méi)有任何對(duì)外散熱條件下熱量累積、溫度上升（甚至直至熱失控）的過(guò)程，電池的產(chǎn)熱測(cè)試結(jié)果與電池工作溫度、SOC、SOH、電流倍率、充放電狀態(tài)都有關(guān)系。這種測(cè)試場(chǎng)景在某種意義上偏離了電池的實(shí)際工作狀態(tài)，但仍不失為作為檢測(cè)電池臨界狀態(tài)的一種手段。采用 IBC的測(cè)試模擬法則正好相反，其模擬的是 （接近）理想散熱條件，即電池產(chǎn)生的熱量都能夠被及 時(shí)帶走，從而電池始終處于恒溫的狀態(tài)，電池的產(chǎn)熱測(cè)試結(jié)果僅與SOC、SOH、電流倍率、充放電狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)然受冷浴響應(yīng)時(shí)間的限制，電池溫度通常也會(huì)在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，如圖1所示即為某軟包電池在以不同電流倍率進(jìn)行IBC測(cè)試過(guò)程中電池表面溫度的變化，電池溫度波動(dòng)通常都會(huì)出現(xiàn)在電池開(kāi)始放電和放電結(jié)束的時(shí)刻，一般認(rèn)為電池溫度在±0.5℃之間波動(dòng)即為正常。采用某型號(hào) IBC和某型號(hào)ARC測(cè)試軟包電池現(xiàn) 場(chǎng)如圖 2所示。對(duì)于接觸式的IBC測(cè)試設(shè)備，在測(cè)試中被測(cè)對(duì)象需要與測(cè)試腔進(jìn)行充分接觸，因此對(duì)于圓柱形電池需要特定的夾具。對(duì)于軟包電池和硬殼電池，則受限于冷腔的尺寸以及電池的厚度，體積太大的電池其測(cè)試精度將會(huì)下降（尤其是受限于電池厚度 ，體積太大的電池其測(cè)試精度將會(huì)下降（尤其是受限于電池厚度尺寸）。對(duì)于 ARC測(cè)試設(shè)備而言，對(duì)電池的體積則較為友 好，由于測(cè)試腔體較大，基本上所有規(guī)格尺寸的電池樣品都可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試，甚至于可以進(jìn)行電池模組產(chǎn)熱的測(cè)試分析。對(duì)于采用 ARC對(duì)電池產(chǎn)熱進(jìn)行定量分析，需要首先配合使用直流電源和電加熱片，測(cè)試得到一定加熱功率下被測(cè)對(duì)象的溫度變化，進(jìn)而通過(guò)溫度守恒定律計(jì)算得到比熱容（包括平均比熱容和變溫比熱容）。以此為基礎(chǔ)，通過(guò)測(cè)試充放電過(guò)程中的電池絕熱溫升，可以計(jì)算得出電池的溫度變化速率，進(jìn)而通過(guò)公式（1）和公式（2）得到瞬時(shí)產(chǎn)熱功率、平均產(chǎn)熱功率及總產(chǎn)熱能量。此外，ARC還能夠采集電池在熱失控整體過(guò)程中時(shí)間、溫度和壓力數(shù)據(jù)，能夠分析得到電池在熱失控的不同階段下自放熱溫度及時(shí)間長(zhǎng)度的變化，也能得到熱失控的溫度和壓力的變化情 況。通過(guò)功率補(bǔ)償方法， IBC設(shè)備可以直接測(cè)試得到電池的定溫比熱容和產(chǎn)熱數(shù)據(jù)（包括產(chǎn)熱量和瞬時(shí)產(chǎn)熱功率），相對(duì)而言數(shù)據(jù)分析過(guò)程較ARC法更加簡(jiǎn)單、高效。如圖 3和圖4分別是針對(duì)同一只電池開(kāi)展IBC和ARC測(cè)試時(shí)，電池產(chǎn)熱功率和溫度曲線隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?，在IBC測(cè)試中，電池的溫度變化僅在很小的溫度范圍（24.5~25.5℃）內(nèi)波動(dòng)，因此溫度對(duì)電池內(nèi)阻的影響基本可以忽略不計(jì)。通過(guò)IBC測(cè)試獲得的電池產(chǎn)熱功率隨著放電的進(jìn)行呈逐漸增加的趨勢(shì)，在放電中期有短暫的平臺(tái)現(xiàn)象。由于在測(cè)試過(guò)程中電池的溫度和老化狀態(tài)都可以認(rèn)為不變，因此上述特征主要是受SOC影響。從圖5所示的電池直流內(nèi)阻隨SOC的變化關(guān)系可以，隨著放電進(jìn)行（SOC減?。?，電 池內(nèi)阻呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，并在放電末期由于內(nèi)部 極化效應(yīng)增加往導(dǎo)致內(nèi)阻往急劇增加。對(duì)比圖3和圖5可知，該款電池可逆反應(yīng)熱在放電過(guò)程中主要呈現(xiàn)放熱特征。對(duì)于 ARC測(cè)試結(jié)果（圖4），電池溫度在測(cè)試中變化較為劇烈，溫升幅度最高達(dá)到12℃。測(cè)試得到的電池瞬時(shí)產(chǎn)熱功率在大部分時(shí)間內(nèi)隨放電的進(jìn)行呈現(xiàn)平臺(tái)現(xiàn)象，在放電末期會(huì)顯著增加。這一特征是電池SOC和溫度同時(shí)變化、綜合影響的結(jié)果。綜合以上分析，可以看出采用 IBC進(jìn)行電池產(chǎn)熱特性分析更適合于單因素分析，例如在相同倍率、溫度下分析SOC、充放電的影響，或在相同倍率和充放 電狀態(tài)下分析溫度的影響。而 ARC方法則由于各影響因素的耦合作用，較難實(shí)現(xiàn)解耦分析。電池比熱容通過(guò) IBC和ARC2種設(shè)備均可以測(cè)得。其不同點(diǎn)在于，采用ARC可以通過(guò)1次測(cè)試得到電池在一定溫度范圍的平均比熱容，或者通過(guò)1次測(cè)試得到某個(gè)溫度范圍內(nèi)不同溫度下的定溫比熱容，如圖6所示即為某款樣品的平均比熱容和定溫比熱容的對(duì)比?？梢钥闯觯摽顦悠返谋葻崛蓦S著溫度的升高逐漸變大，在45℃左右，平均比熱容與定溫比熱容相等。采用 IBC通過(guò)1次測(cè)試則只能得到某個(gè)溫度下的定溫比熱容，若要得到某只樣品的變溫比熱容數(shù)據(jù)，只能通過(guò)多次測(cè)試得到，測(cè)試效率較低，可行性較差。本文系統(tǒng)總結(jié)和分析了絕熱量熱法和等溫量熱法在電池產(chǎn)熱特性測(cè)試方面的異同點(diǎn)，進(jìn)一步總結(jié)如表 2所示。整體上而言，2種方法在特定領(lǐng)域存在各自的優(yōu)勢(shì)，ARC法可以高效獲取電池比熱容數(shù)值，IBC法則可以對(duì)電池產(chǎn)熱特性進(jìn)行單因素分析。通過(guò)2種 方法的配合使用，可以更加全面的表征電池在不同使用工況下的產(chǎn)熱功率及產(chǎn)熱能量的變化情況，和在全生命周期內(nèi)不同階段的產(chǎn)熱功率及產(chǎn)熱能量的變化情況，能夠?yàn)橹笇?dǎo)熱管理系統(tǒng)在控制電池不同狀態(tài)下的溫度提供準(zhǔn)確的輸入。
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