1、第55卷第10期2021年10月浙江大學學報(工學版)JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)Vol.55No.10Oct.2021DOI:10.3785/j.issn.l008-973X.2021.1().021大型軟包鋰離子電池的熱物性實驗研究王帥林I,盛雷，齊麗娜3,方奕棟1,李康I,蘇林1(1.上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093；2.上海理工大學機械工程學院，上海200093；3.蘭考縣第三高級中學物理組，河南開封475300)摘要：針對大型軟包鋰離了電池熱物性參數(shù)的測定問題，提出適用于該型電池的熱參數(shù)表征方法.基于準

2、柩態(tài)導熱原理，建立電池的傳熱理論模型.開展實驗研究電池的比定壓熱容和導熱系數(shù)與溫度的依變關(guān)系，分析熱損對測試結(jié)果的影響，對測試方法的有效性進行驗證.結(jié)果表明，電池比定壓熱容隨若溫度的升高而線性增大，導熱系數(shù)受溫度的影響較小.在900s內(nèi)可以測得電池熱參數(shù)在1060。(：下的變化狀況，實驗驗證結(jié)果顯示測算精度高于92.3%,具有測算周期短、準確度高和測試靈活等優(yōu)勢.關(guān)鍵詞：大型軟包鋰離子電池：比定壓熱容：導熱系數(shù)：準役態(tài)導熱原理中圖分類號：TM9I1文獻標志碼：A文章編號：1008-973X(2021)10-1986-07Experimentalinvestigationonthermophys

3、icalparametersoflarge-formatpouchlithium-ionbatteryWANGShuai-lin,SHENGLei1-2,QILi-naFANGYi-dong1,LIKang1,SULin*(I.SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology.Shanghai200093,China-,2.SchoolofMechanicalEngineering,University()fShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai2

4、00093,China;3.PhysicsTeachersOffice,TheThirdSeniorHighSchoolofLankcio,Kaifeng475300,China)Abstract:Athermalparametercharacterizationmethodsuitableforthisbaiterywasproposedaimingattheproblemofthelhermophysicalparametersdeterminationfbrlarge-formatpouchlithium-ionbatterycell.Atheoreticalmodelofheattra

5、nsferofthebatterywasestablishedbasedontheprincipleofquasi-steady-staieheatconduction.Experimentswereconductedtoanalyzethedependenceofthespecificheatcapacityatconstantpressureandthermalconductivityofthebatteiyonthetemperature.Tiieinfluenceofheatlossonthetestresultswasanalyzed,andthevalidityofthetestm

6、ethodwasverified.Resultsshowthatthecellspecificheatincreaseslinearlyastheincreasingtemperature,andthetemperaturehasaminoreffectonthecellthermalconductivity.Thethermalparametersinthetemperaturerangeof10-60Cforthecellcanbemeasuredwiihin900s.Theexperimentalresultsshowthatthetestpreciseovertops92.3%,whi

7、chhaslheadvantagesofshortmeasurementcycle,highaccuracyandflexibletesting.Keywords:large-scalepouchlithium-ionbattery;specificheatcapacityatconstantpressure;thermalconductivity;quasi-steady-stateheatconductionprinciple收稿日期：2020-12-09.網(wǎng)址：作者簡介：王帥林(1995),男，碩士生，從事汽車熱管理的研/0000-0003-4108-7539.E-ma

8、il：mol2134通信聯(lián)系人：蘇林，男，教授./0000-0002-3375-324X.E-mail：linsu當前，為了緩解續(xù)駛里程及快速充電的焦慮問題,電動汽車電池組的能量密度正逐步提升，這促使鋰離子電池單體的尺寸逐漸趨于大型化次林寸伽展跛電腮幔分鑰;均勻.M速電池我綬的打血具殘.Gomez搭23的K亢表嘰較威仇工作出壩和&於尋5C)可以嚴筑電響鋰離子電池的工作性能和循環(huán)壽命.對鋰離子電池組采取有效的熱管理措施十分重要，須分析電池的熱物性參數(shù)，如比定壓熱容和導熱系數(shù).準確掌握電池的熱物性參數(shù)，對建立電池的熱仿真模型、制定電動汽車電池組的熱管理及充放電控制策略等都有枳極的

9、指導意義皿目前，己有許多研究對鋰離子電池的熱物性參數(shù)測定進行報道.Loges等將電池心的彌招5“樣勺場灼列離.柔用籠示歸拈儂tKttdifferentialscanningcalorimeterDSC狷儂電油illft的比定&斜容.采用加松計。法很定電池的琵體比定壓林帝，實臉拓果衣明在050PT.電間成”，容沖大22%咔Yang(6-7)，的處以小外HU電池單體為*向異住9烤系枚：該方仕家折解電他單休劇餓備璽件的偉權(quán).密廢和比定反斡樣善杉敏.世拆*危程中由了電池電耕淺4.&莒發(fā)./成得試過程H繁刀、安全ft牧楚.另外禪。結(jié)架的本誦喪侍漁帝.WftMlsl將電構(gòu)維杓離散為獨立的好元.*Mm的修網(wǎng)

10、格模望.通就水新嫉性力炭蛔再劃等效焰系ft.veniz$|9|使用M速絕妲W購R14Ah比版儀催軟包電池的斡構(gòu)故.格之弓知釵什株法的姑聚恁行比牧.指出萩加權(quán)什算渣的站泉好低.Bazimti。1采用等溫量熱儀(isothermalcalorimeter*IC),測試軟包磷酸亞鐵鋰電池的法向?qū)嵯禂?shù);該方法須采用專業(yè)測量設備，測試成本較高，且由于設備測試腔容積有限，難以應付大尺寸軟包電池的熱物性測量.Drake等叩“叩心心”程的他解.通ii我破mat18650但26650廈住形的酸亞鐵的彩*J較小.Forgez(14根北電ifeiiWllfflA.外陽殳根戊計H3此俗etv比定慶格.Hil,!2r

11、灼鍛的影*f.Shengi15-17基于能量守恒定律，測量了鋰離子電池的比定壓熱容，測算過程考慮了熱損因素，使得測算誤差不超過5%Zhang等凌德話含*教測域習值依*2小5心5八.刀響。9基于傳熱學集總參數(shù)法，通過實驗確定電池表面的對流換熱系數(shù)，基于集總參數(shù)模型計算電池的比定壓熱容.該方法較適用于小尺寸電池，對大尺寸軟包鋰離子電池比定壓熱容的測定具有局限性.綜上所述，以往關(guān)于鋰離子電池熱物性的研究主要集中于小尺J.電池，對于大尺寸軟包鋰離子電池熱物性的研究很少涉及.此外，已有一些研究在測定電池的熱參數(shù)時不考慮熱損的影響，使得測算誤差較大.專業(yè)測量儀器因測試腔較小，難以滿足大尺寸軟包鋰離子電池的

12、熱物性測試需求.本文基于傳熱學準穩(wěn)態(tài)導熱原理，考慮熱損，建立電池的熱物性理論模型，研究比定壓熱容和導熱系數(shù)與溫度的依變關(guān)系.以與電池形狀相近的塊狀有機玻璃(亞克力)為標樣，對提出的測試方法的有效性進行驗證.與以往技術(shù)相比，本文研充不依賴專用設備，具有測試周期短、準確度高、測試靈活和測試費用低等優(yōu)勢，為研究人員對大尺寸軟包鋰離了電池的熱物性表征提供了良好的技術(shù)支持.1電池內(nèi)部傳熱理論分析根據(jù)傳熱學的一維導熱原理可知，當在緊并的2塊軟包電池的兩對稱主面(其他2個主面完整接觸)均勻加熱時，熱流密度線起始于受熱面，終止于內(nèi)側(cè)面(冷而).因軟包電池較薄，沿其4個小側(cè)面的熱量損失可以忽略，該傳熱學問題可以

13、視為沿無限大平板厚度方向的一維導熱問題.考慮熱量沿電池主面的損失，受熱分析如圖I所示.圖中，L為電池厚度，伽為在電池受熱面加我的均勻熱流密度，婀為電池受熱面因熱損而造成的熱流損失密度(outgoingheatflux),孔為從電池受熱面流向電池內(nèi)部的熱流密度(在數(shù)值上、爭于0inqouJ.沿無限大平板厚度方向(X方向)一維導熱、非穩(wěn)態(tài)、無內(nèi)熱源，對該問題進行數(shù)學描述.建立導熱微分方程：4X=0X=L圖1電池受熱分析圖Fig.IDiagramofbatter)healinganalysis0Ed2epcpoIPKvT式中：K、勺分別為電池的法向?qū)嵯禂?shù)和比定壓熱容,P為電池的密度.邊界條件為50

14、=0;=0,r0.dxdxKx0(x,r)|.T.r=()=&；。0.5時，該級數(shù)項趨近于0,可以忽略不計網(wǎng).垸上礎(chǔ)頃以根據(jù)式(5)電池溫度場變化曲線的斜率確定電池比定壓熱容:_Gin0out,dep,d?(6)由式(5)可得爭n0out_Gin_0oul匕pCpL6kv0in_0in_%utT+p(pL3/(x(8)(8)L.式(8)減去式(7),可得0(乙技冒0,0)=血二匕.2皈(10)可得電池法向?qū)嵯禂?shù)的表達式：(0in0cut)L20(L,t)-6(O,t)由式(6)、(10)可知，只要獲得電池受熱過程中伽和q響以及電池的溫變率d0/dr和冷熱面間的溫差Oi-Oo等，即可確定電池的

15、比定壓熱容和法向?qū)嵯禂?shù).2電池熱物性實驗研究實驗對象為車用高比能三元軟包鋰離子電池,正極為鍥鉆鉉酸鋰(Li(Nio.5Coo.2Mno.3)。2)，負極材料為石墨.電池的規(guī)格參數(shù)如表I所示.參數(shù)數(shù)值尺寸(長乂寬乂高)/mm300x100x11.2質(zhì)量/g781.50標稱容量/(A-h)55標稱電壓/V3.6放電截止電壓/V2.8充電截止電壓/Vrg授r4.2兜電0-43放電20加(4)表1軟包三元鋰離子電池的規(guī)格參數(shù)Tab.lParametersofpouchternarylithium-ionbattery2.1實驗裝置實驗中主要用到穩(wěn)壓電源(給加熱膜供電)、加熱膜、熱流計(heal-fl

16、uxmeter,HFM)、恒溫箱和計算機等設備，其中熱流計連接熱流傳感器(heatfluxsensor,HFS),用于監(jiān)測電池受熱而因熱損而造成的熱流損失爭mh.實驗裝置、熱電偶(thermocouples,TC)及HFS布置如圖2所示.加熱膜(b)鋰離了電池實物圖圖2熱物性參數(shù)測試實驗裝置及熱電偶布置圖Fig.2Experimentaldeviceofthermophysicalparameterstestandlayoutdiagramofthermocouple在實驗過程中，將2張同規(guī)格的加熱膜敷于電池(SOC為50%)受熱面，如圖2(a)所示，并由一臺穩(wěn)壓電源給其供電.將2個同規(guī)格的熱

17、流測頭HFS分別布于電池受熱面中心，如圖2(b)所示，用于監(jiān)測因熱損引起的熱流損失.在電池受熱面中部距熱流測頭中心7mm處(在垂直其側(cè)邊方向相距2mm處)分別布置I枚T型熱電偶TC1和TC2,在電池接觸主面中心布置1枚熱電偶TC3.將電池置于由珍珠棉(expandablepolyethylene,EPE)材料制成的保溫盒中心，將該保溫裝置置于恒溫箱，由恒溫箱提供初始溫度和恒定的環(huán)境溫度.熱物性參數(shù)測試實驗設備和測量裝置參數(shù)如表2所示.表2熱物性參數(shù)測試實驗設備及測地裝置規(guī)格表Tab.2Specificationsofexperimentalequipmentandmeasuringdevice

18、softhermophysicalparametertest裝置型號成質(zhì)精度保溫盒EPE珍珠棉(700x300x18()mm3一恒溫箱HS-250L0.5T榆壓電源DC30V10A0.001A,0.01V薄膜加熱器厚0.22mm1%熱電偶T型0.4%熱流計LR843253.5mmxiommxO.28mm)2%2.2實驗原理及步驟2.2.1電池受熱過程中表面的溫變和熱流密度每次測試前，均將恒溫箱爐溫調(diào)至-10C,靜止2h,確保電池溫度與環(huán)境溫度-致.為了減小測試誤差，預設電池受熱過程中冷、熱面間的溫差不低于5C,通過幾次實驗發(fā)現(xiàn)，當輸入功率接近140W時，可以使電池冷熱面間的溫差(溫度場達到準穩(wěn)

19、態(tài)后)最大達到11.5C.為了排除實驗的偶然性誤差，重復測試3次.以其中1次測試為例，如圖3所示為電池受熱過程中表面的溫變狀況和熱流損失變化狀況.圖中，Oavg為電池平均溫度，Qg為熱流損失密度，處嚇為受熱面由熱損引起的平均熱流損失密度.在測試過程中，為了避免電池溫度過高，當最大溫度升至70。(2時關(guān)閉電源.如圖3(a)所示，加熱84s后，電池冷熱面溫變曲線的斜率逐漸趨于穩(wěn)定，受熱面溫度在第900s時接近70C,如圖3(b)所示，電池受熱面的熱流損失密度在84s后近乎以線性上升，這主要是因電池與環(huán)境間的溫差逐漸增大(同時熱損增大)所致的.2.2.2電池的熱物性參數(shù)計算根據(jù)圖3所示的測試結(jié)果，計

20、算電池受熱面和冷面間的溫差30(0l-00)和電池的平均溫變率(dO/dT)，計算結(jié)果分別50-|84s01111112004006008001000”s(b)電池受熱面的熱流損失密度圖3電池溫變及熱流損失密度曲線圖Hg.3Curveofbatterytemperaturechangeandheatflowlossdensity1602004006008001000r/s02004006008001000r/s圖4電池冷、熱面間溫差及平均溫變率Fig.4Temperaturedifferencebetweencoldandhoisurfacesofbai-teryandaveragetempe

21、raturechangerate7s6)7apMP如圖4(a)、(b)所示.從圖4(a)可知，在前84s,電池冷、熱面間的溫差上升較快：在84s后，該溫差趨于穩(wěn)定，但略向下傾斜，這主要是由熱損引起的.由此可知，在加熱至84s時電池的溫度場達到準穩(wěn)態(tài).從圖4（b）可知，電池的溫變率隨時間而逐漸下降，該現(xiàn)象是由熱損引起的.將圖4（a）、（b）所示的數(shù)據(jù)分別代入式（6）、（10）,考慮圖3（b）所示的啊k，可得電池的比定壓熱容和法向?qū)嵯禂?shù).3結(jié)果與討論3.1電池測試結(jié)果3.1.1電池的比定壓熱容如圖5所示為電池比定壓熱容隨溫度的變化趨勢.可知，電池比定壓熱容隨著溫度的升高而增大，當溫度從10C升至

22、6（TC時，比定壓熱容從945.9J/（kg-K）上升到II66.6J/（kg-K）,增幅約為21%.有熱損標定和無熱損標定線性擬合的冷分別為0.9826和0.9784.與不考慮熱損的測算結(jié)果相比，考慮熱損后測得的電池比定慶熱容降低約6%,且溫度越高，兩者的偏差越大，這表明熱損標定對測算結(jié)果具有較大的影響.電池固體部分的材料是導致上述現(xiàn)象的主要原因.通常，電池的固體部分包括外殼、電極和隔板等，材料的晶格振動能、分子旋轉(zhuǎn)能、電子動能和內(nèi)能隨著電池溫度的升高而增大，這4種能量的增加導致電池材料結(jié)構(gòu)炳的增加，因此電池的比定壓熱容會隨著溫度的升高而增加.部分研究得到了類似的趨勢：Sheng等叫*州*5

23、心，wn*-20功至6OP比定壓斡谷從|081J/上升至I267J/增大約17.2%：Bazinski110*W制對放包*陽。:位百電他的比此出格8自-SC任55C增大竹38%.Vcrtiz4（9”用ARC*試14A-h俱阪宙*牧勉針&在佑&卜的比定田妲容力1114$晚仁,比木又的比走球M容酒破們994.6J/kgKJ福圖5比定壓熱容與溫度間的曲線關(guān)系Fig.5Curverelationshipbetweenspecificheatcapacityatconstantpressureandtemperature12%,表明采用不同正極材料的鋰離子電池比定壓熱容具有差異性.Drake等寺】血職2

24、6650和18650磷酸亞鐵鋰電池比定壓熱容的測量結(jié)果分別為1605和I720J/（kg-K）,與本文的測試結(jié)果相差較大.一方面是由于筆者在測試過程中，將圓柱形電池視為均質(zhì)實體，實際上該型電池內(nèi)部內(nèi)芯與電池外殼具有一定的空度（普遍距離35mm）,這使得測試結(jié)果偏大；另一方面，筆者未考慮實驗過程中熱量的損失情況，造成了測量的比定壓熱容偏大.3.1.2電池的導熱系數(shù)如圖6所示為心隨溫度的變化趨勢.可知，有熱損標定的電池導熱系數(shù)隨溫度的升高變化較小，平均值為1.313W/（m-K）,上下浮動不超過0.5%,受溫度的影響可以忽略不計.當溫度從10。（2升至60迫時，無熱損標定的導熱系數(shù)增大約4%.有熱

25、損標定和無熱損標定線性擬合的形分別為0.9905和0.7943.相比不考慮熱損的測算結(jié)果，考慮熱損后測得的電池導熱系數(shù)降低約6%,且溫度越高，兩者偏差越大，這表明熱損標定對導熱系數(shù)的測算結(jié)果具有較大的影響.該結(jié)果與電池導熱系數(shù)隨溫度的變化趨勢一致辛龍7通漢佬發(fā)及技術(shù)手做獲收解氧、M3.ftwhnwatft.計#也到敕包電ife的導瓣系裁為0.913WJr:thermalandstateofchargeeffectsJ.PowerSources.2011.196(10):4826-4831.3 WANGHC.SHENGL.GHULAMY.ctal.Reviewingthecurrentstatu

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