利用常規檢測儀器測定電池充放電產(chǎn)熱存在熱滯后效應，無(wú)法真實(shí)反映電池的瞬態(tài)生熱特性。本文利用等溫量熱儀探究了電池厚度、導熱附件厚度和實(shí)驗溫度三類(lèi)因素對于熱滯后的影響，同時(shí)根據非穩態(tài)熱傳導方程提出了一種熱滯后修正方法。
前言
研究鋰離子電池充放電過(guò)程的熱效應對于電池熱管理系統設計、提高電池性能及安全性具有十分重要的意義。電池等溫量熱儀是測試不同工況下鋰電池單體充放電產(chǎn)熱特性的主要測試儀器。該儀器基于功率補償等溫量熱原理，通過(guò)反饋控制電加熱元件使得充放電過(guò)程中電池溫度保持恒定，從而根據加熱元件的焦耳熱功率變化對電池熱效應進(jìn)行等效。
圖1 等溫量熱儀(a)整機和(b)測試腔體結構圖
根據檢測原理，利用等溫量熱儀可以準確測定電池產(chǎn)熱量，但對于產(chǎn)熱功率的測量不可避免地存在一定的熱滯后效應。一方面，鋰電池產(chǎn)熱主要來(lái)自于卷芯，卷芯至電池表面的傳熱路徑上存在明顯的熱阻，同時(shí)電池自身的熱容相對較大；另一方面，為降低電池與恒溫熱沉間的接觸熱阻，并提高溫度均勻性，測試前電池兩側需組裝多層導熱介質(zhì)，包括石墨墊片、硅膠墊和勻熱塊（見(jiàn)圖1）。但即便如此，各部件間的熱阻仍然不可忽略?？梢哉J為，電池產(chǎn)熱功率測量涉及一個(gè)有時(shí)變內熱源的非穩態(tài)傳熱過(guò)程，該過(guò)程的弛豫現象導致測量結果無(wú)法直接等效于電池的瞬態(tài)產(chǎn)熱功率。除等溫量熱儀外，電池絕熱、微量熱儀等可用于測定電池熱效應的儀器普遍存在熱滯后問(wèn)題。
為了初步辨析影響熱滯后性的主要因素，本文研究了電池厚度、導熱硅膠墊厚度和實(shí)驗溫度三類(lèi)因素對等溫量熱儀測量結果的影響。同時(shí)，在文末提出了一種對熱滯后效應進(jìn)行修正的簡(jiǎn)易方法。
實(shí)驗部分
1. 樣品準備電池#1：磷酸鐵鋰方形電池
(L173mm*W111mm*H20mm，40Ah，100%SOC)
電池#2：磷酸鐵鋰方形電池
(L148mm*W102mm*H80mm，135Ah，100%SOC)
電池#3：磷酸鐵鋰軟包電池
(L141mm*W137mm*H20mm，40Ah，100%SOC)
2. 實(shí)驗條件
實(shí)驗儀器：杭州仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀、充放電測試儀
工作模式：功率補償等溫模式
樣品溫度：25℃
充放電方式：1C恒流放電
結果討論
1．電池厚度影響
由于厚度不同的電池在容量上難以一致，因此本文選用兩款容量不同、大面面積相似、而厚度分別為20mm和80mm的磷酸鐵鋰電池（#1和#2），進(jìn)行1C恒流放電實(shí)驗。理論上放電過(guò)程中電池內阻隨SOC下降而單調遞增，所以放電結束時(shí)刻電池產(chǎn)熱功率應達到最大值。但等溫量熱儀測量存在的熱滯后效應導致放電結束后熱功率曲線(xiàn)需要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能衰減為零。此處定義放電結束后功率從峰值衰減至峰值1/e的時(shí)間τ為熱滯后時(shí)間常數。τ的大小與電池至加熱片之間非穩態(tài)傳熱的時(shí)間常數相關(guān)。如圖2所示，對于厚度為80mm的#2電池，τ?=1134，明顯大于#1電池的計算結果（τ?=218），說(shuō)明電池厚度增加會(huì )顯著(zhù)影響電池產(chǎn)熱測量的動(dòng)態(tài)響應，這可能是由于電池熱容和內部熱阻都與厚度正相關(guān)。
圖2 不同厚度LPF電池1C恒流放電產(chǎn)熱功率曲線(xiàn)
導熱硅膠墊通過(guò)形變填充電池與勻熱塊之間可能存在的空氣隙。本文選用0.5mm及3mm兩種不同厚度的墊片，搭配#1電池進(jìn)行實(shí)驗。如圖3所示，可以發(fā)現墊片厚度對熱滯后效應有一定貢獻，兩次實(shí)驗熱滯后時(shí)間常數τ的差異在20%左右，說(shuō)明硅膠墊的熱阻與熱容的影響同樣不可忽視。
圖3 不同厚度的硅膠墊條件下電池#1恒流1C放電產(chǎn)熱功率曲線(xiàn)
3. 不同工作溫度影響
圖4 不同溫度條件下電池#3恒流1C放電產(chǎn)熱功率曲線(xiàn)
不同工作溫度下電池產(chǎn)熱特性存在差異。如圖4，在45℃條件下#3電池產(chǎn)熱功率略小于25℃下的結果，但兩者的熱滯后時(shí)間常數基本一致?？梢猿醪秸J為溫度與熱滯后沒(méi)有明顯關(guān)聯(lián)性，這可能是由于溫度小幅度變化對系統傳熱特性幾乎沒(méi)有影響。
4．熱滯后修正
根據上文的結果，熱滯后問(wèn)題在實(shí)際測量中難以完全消除。為了能夠反映電池真實(shí)的瞬態(tài)產(chǎn)熱過(guò)程，需要對儀器測定的熱功率曲線(xiàn)進(jìn)行修正。本文通過(guò)推導系統非穩態(tài)傳熱方程得到簡(jiǎn)化后的一階校準公式，如下所示：
修正前后的產(chǎn)熱功率曲線(xiàn)如圖5所示，可以發(fā)現修正后的曲線(xiàn)幾乎消除了放電結束后的功率衰減時(shí)間，能夠更好地反映電池瞬態(tài)產(chǎn)熱特性。
圖5 熱滯后修正前后電池放電產(chǎn)熱功率曲線(xiàn)
實(shí)驗結論
實(shí)驗結果表明電池厚度對電池產(chǎn)熱功率測量熱滯后效應的貢獻最大，導熱附件也具有明顯影響，而實(shí)驗溫度的影響則較小。同時(shí)，基于動(dòng)態(tài)傳熱方程可以對熱滯后進(jìn)行修正，修正結果接近電池瞬態(tài)生熱特性，更有利于鋰電池產(chǎn)熱機理研究。
