应用案例｜锂电池宽温域变温比热容测试

2023-10-11 21:09:13, 浙仪应用研究院杭州仰仪科技有限公司

本期预览

本文利用BAC-420B大型电池绝热量热仪对锂离子电池在宽温域下的变温比热容进行测试，研究电池比热容随温度变化的一般规律。

前言

比热容是进行锂电池热管理系统瞬态仿真的关键热物性参数，用于定量分析电池升降温特性与电芯间热传递规律等。锂离子电池的适宜工作温度一般为20~50℃，但其工作环境覆盖北方冬季室外-30℃的严寒到炎炎夏日地表接近70℃的高温，因此必须考虑极端环境下的电池热管理策略。为了精确、有效地开展上述高低温工况下的热管理仿真，即要求获得电池在宽温域下的变温比热容数据。

电池绝热量热仪是测定电芯比热容的有效手段。本文使用杭州仰仪科技有限公司的BAC-420B低温型大型电池绝热量热仪，基于独创的差示绝热追踪测试原理，准确测定了锂电池在-30~65℃范围内的变温比热容。

实验部分

1. 样品准备

实验样品：

LFP磷酸铁锂软包锂电池*2，380mm*120mm*15mm，100%SOC；

标准铝块*2，380mm*120mm*15mm，6061铝合金。

2. 实验条件

实验仪器：BAC-420B大型电池绝热量热仪；

图1 BAC-420B低温型电池绝热量热仪

工作模式：比热容测试模式；

加热片参数：PI加热膜，23.2Ω；

加热功率：18W；

控温范围：-35~60℃。

3. 测试原理

比热容测试基于差示绝热追踪的原理。简而言之，在量热仪的绝热追踪工作模式下，利用柔性电加热片对锂电池与已知比热容的标准样品(通常为铝质)进行加热，并尽量控制样品与参比的升温历程一致。根据式（1）和式（2），利用参比可计算和扣除由于测试过程中实验环境难以达到完全理想绝热而耗散至环境中的热量，从而精确测量锂电池比热容。

图2 基于差示绝热追踪原理的比热容测试方法

另外，普通型绝热量热仪并不具备主动降温功能，只能进行室温以上的实验。BAC-420B低温型电池绝热量热仪配制液氮吹扫降温功能，可快速将实验温度降至-30℃以下进行低温测试。

4. 测试步骤

Step1：利用导热胶带将加热片贴合在两个100%SOC电池(铝块)中间，组成三明治结构，并用耐高温胶带将整体缠紧；

Step2：打开大型电池绝热量热仪炉盖，将电池样品(铝块)固定于量热仪腔体内，并利用耐高温胶带将样品热电偶贴合于样品大面中心点；

Step3：在操作软件上选择比热容测试模式，并设置相关实验参数；

Step4：关闭炉盖，打开液氮罐阀门，进行液氮吹扫降温，等待样品及量热腔盖壁底温度低于实验启动温度后，在操作界面上启动实验。

实验结果

图3 (a)和(b)比热容实验温升曲线及(c)电池变温比热容

如图3(a)所示，实验过程中量热腔炉体温度与样品温度始终保持紧密贴合，温差低于±0.2℃。准绝热测试环境封闭了样品的热耗散，能够显著降低难以准确测量的不确定项所引入的系统误差。图3(b)为电池及参比在比热容实验中的温升曲线，由于两者热容存在差异性，因此相同加热功率下温升速率不完全一致。图3(c)显示了测定得到的电池变温比热容曲线（每5℃平均），可以发现随着温度上升，比热容呈单调上升趋势。同时可计算得到电池在-30℃到65℃范围内的平均比热容为1024.64kJ/(kg*℃)。

结论与展望

利用BAC-420B大型电池绝热量热仪可以测量电池在宽温域内的比热容数据，能够帮助研究人员更全面地进行热管理设计，优化电池系统在高低温工况下的性能。