白廣利 溫浩然 余八一 姜成龍 韋振 林春景 劉仕強(qiáng)

（1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中國質(zhì)量認(rèn)證中心，北京 100067）

主題詞：動(dòng)力電池 熱物性 加速絕熱法 等溫量熱法 電動(dòng)車

縮略語

IBC Isothermal Battery Calorimeter

ARC Accelerating Rate Calorimetry

SOC State Of Charge

SOH State Of Health

NCA Nickel Cobalt Aluminum

1 引言

對于鋰離子電池而言，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[1]，低溫不僅會(huì)對電池壽命造成影響，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）[2]。與消費(fèi)類電子設(shè)備上所使用的鋰離子電池不同，車用動(dòng)力電池的容量通常更大（例如磷酸鐵鋰方形電池單體容量可以達(dá)到200 A·h 以上），同時(shí)使用環(huán)境溫度范圍更廣（-40～70 ℃），且電池周圍的熱環(huán)境往往很不均勻。因此，更加需要對動(dòng)力電池的溫度進(jìn)行有效的管理[3-4]，一方面保持電池工作在其最佳溫度范圍內(nèi)，另一方面盡量減小電池之間的溫度差異，以此提高電池組的工作性能，同時(shí)延長使用壽命，以及避免安全事故的發(fā)生。

為1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)便是精確測定電池?zé)嵛镄詤?shù)和產(chǎn)熱特征[3]，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驗(yàn)證電池?zé)崮Ｐ偷姆抡婵煽啃浴?/p>

對于比熱容的測定，通常包括理論計(jì)算法和試驗(yàn)測量法。其中試驗(yàn)測量法可以分別采用加速絕熱量熱儀和等溫量熱儀實(shí)現(xiàn)，其中采用前者的測試效率更高，應(yīng)用更為普及。Lin等[5]分別通過理論計(jì)算法和加速絕熱量熱儀測試獲取到了一款方形磷酸鐵鋰電池的比熱容，并將得到的比熱容數(shù)值分別輸入到電池溫升仿真模型中進(jìn)行了對比分析。Bandhauer 等[6]采用等溫量熱法研究了鋰離子電池電荷狀態(tài)（State of Charge,SOC）、溫度對電池其比熱容的影響?？傮w而言，目前針對電池的比熱容開展的研究工作相對仍較少，尤其是不同電池健康狀態(tài)（State of Health,SOH）、溫度（影響比熱容最關(guān)鍵的2個(gè)因素）矩陣下比熱容的變化規(guī)律還有待豐富。

針對電池的產(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（Accelerating Rate Calorime?try，ARC）[7-10]和等溫量熱儀（Isothermal Battery Calorim?eter，IBC）[11-12]，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)熱特性對于其安全、高效使用極其重要，因此，越來越引起人們的關(guān)注。合適、高效的電池?zé)崽匦粤炕治鍪侄文壳靶枨笃惹?，本文試圖從測試原理、模擬場景、測試樣品尺寸、數(shù)據(jù)分析過程以及測試結(jié)果等多角度，對比上述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。

2 量化分析原理對比

2.1 等溫量熱法原理

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)熱量的精確測試。測試中，將電池置于IBC測試腔中，測試腔與電池表面通過導(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)）及測試腔溫度加熱或冷卻到低于目標(biāo)測試溫度以下的某一溫度。維持循環(huán)器及設(shè)備測試腔內(nèi)的溫度恒定，用精密功率控制的加熱器把待測電池樣品加熱到目標(biāo)溫度。待電池溫度穩(wěn)定后，通過充放電設(shè)備控制電池按照一定的工況進(jìn)行充放電測試。如果電池對外放熱，則系統(tǒng)溫度有上升的趨勢，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。通過計(jì)算加熱器的功率變化，來間接計(jì)算電池產(chǎn)生或者吸收的熱量。

表1 采用ARC和IBC的電池產(chǎn)熱特性研究工作對比

2.2 絕熱量熱法原理

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)境下的熱量測試分析方法，最早是由美國陶氏化學(xué)公司在上世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)開發(fā)，80年代經(jīng)美國哥倫比亞科學(xué)公司進(jìn)行了商業(yè)化[5]。具體過程包括以下步驟：

將被測樣品放置在ARC設(shè)備腔體內(nèi)后，將設(shè)備上蓋合畢，對腔體做密封處理。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)測腔體內(nèi)環(huán)境的溫度變化。此外，腔體內(nèi)有用來監(jiān)測被測樣品的熱電偶，熱電偶的數(shù)量和測試位置取決于被測樣品的尺寸形狀及測試目的。通過對被測樣品進(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)境和被測樣品溫度一致，避免被測樣品與環(huán)境進(jìn)行熱交換，從而為被測樣品提供1種近似絕熱的環(huán)境。在絕熱環(huán)境下，被測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[13]。

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。

3 量化分析方法對比

3.1 模擬場景

電池在充放電循環(huán)過程中會(huì)不斷地產(chǎn)生熱量，采用ARC 的測試模擬法是電池在沒有任何對外散熱條件下熱量累積、溫度上升（甚至直至熱失控）的過程，電池的產(chǎn)熱測試結(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。這種測試場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電池臨界狀態(tài)的一種手段。

采用IBC 的測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 測試過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。

圖1 某樣品在25 ℃條件下以不同充電電流倍率進(jìn)行IBC測試過程中的表面溫度變化

3.2 測試對象尺寸

采用某型號(hào)IBC 和某型號(hào)ARC 測試軟包電池現(xiàn)場如圖2 所示。對于接觸式的IBC 測試設(shè)備，在測試中被測對象需要與測試腔進(jìn)行充分接觸，因此對于圓柱形電池需要特定的夾具。對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試精度將會(huì)下降（尤其是受限于電池厚度尺寸）。

對于ARC測試設(shè)備而言，對電池的體積則較為友好，由于測試腔體較大，基本上所有規(guī)格尺寸的電池樣品都可以實(shí)現(xiàn)測試，甚至于可以進(jìn)行電池模組產(chǎn)熱的測試分析。

圖2 軟包電池產(chǎn)熱測試現(xiàn)場

3.3 數(shù)據(jù)分析過程

對于采用ARC對電池產(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，測試得到一定加熱功率下被測對象的溫度變化，進(jìn)而通過溫度守恒定律計(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)，通過測試充放電過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)間長度的變化，也能得到熱失控的溫度和壓力的變化情況。

通過功率補(bǔ)償方法，IBC設(shè)備可以直接測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），相對而言數(shù)據(jù)分析過程較ARC法更加簡單、高效。

4 典型測試結(jié)果對比

4.1 產(chǎn)熱功率測試

如圖3 和圖4 分別是針對同一只電池開展IBC 和ARC 測試時(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)，因此溫度對電池內(nèi)阻的影響基本可以忽略不計(jì)。通過IBC 測試獲得的電池產(chǎn)熱功率隨著放電的進(jìn)行呈逐漸增加的趨勢，在放電中期有短暫的平臺(tái)現(xiàn)象。由于在測試過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?。姵貎?nèi)阻呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，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。對比圖3和圖5 可知，該款電池可逆反應(yīng)熱在放電過程中主要呈現(xiàn)放熱特征。

圖3 某款電池在1C放電過程中的IBC產(chǎn)熱數(shù)據(jù)對比

對于ARC 測試結(jié)果（圖4），電池溫度在測試中變化較為劇烈，溫升幅度最高達(dá)到12 ℃。測試得到的電池瞬時(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。

圖4 某款電池在1C放電過程中的ARC產(chǎn)熱數(shù)據(jù)對比

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。

4.2 比熱容測試

電池比熱容通過IBC 和ARC 2 種設(shè)備均可以測得。其不同點(diǎn)在于，采用ARC可以通過1次測試得到電池在一定溫度范圍的平均比熱容，或者通過1次測試得到某個(gè)溫度范圍內(nèi)不同溫度下的定溫比熱容[13]，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比。可以看出，該款樣品的比熱容隨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。

圖5 某款電池在固定溫度下的直流內(nèi)阻對比

圖6 某款樣品平均比熱容和定溫比熱容對比

采用IBC 通過1次測試則只能得到某個(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)，只能通過多次測試得到，測試效率較低，可行性較差。

5 結(jié)束語

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，ARC法可以高效獲取電池比熱容數(shù)值，IBC法則可以對電池產(chǎn)熱特性進(jìn)行單因素分析。通過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。

表2 ARC法和IBC法異同點(diǎn)對比

致謝

感謝國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFB0104100）的支持。