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鋰電池寬溫域變溫比熱容測試

更新時間:2023-11-09  |  點擊率:500

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本期預覽

    本文利用BAC-420B大型電池絕熱量熱儀對鋰離子電池在寬溫域下的變溫比熱容進行測試,研究電池比熱容隨溫度變化的一般規律。


前言


比熱容是進行鋰電池熱管理系統瞬態仿真的關鍵熱物性參數,用于定量分析電池升降溫特性與電芯間熱傳遞規律等。鋰離子電池的適宜工作溫度一般為20~50℃,但其工作環境覆蓋北方冬季室外-30℃的嚴寒到炎炎夏日地表接近70℃的高溫,因此必須考慮極‘duan環境下的電池熱管理策略。為了精確、有效地開展上述高低溫工況下的熱管理仿真,即要求獲得電池在寬溫域下的變溫比熱容數據。

電池絕熱量熱儀是測定電芯比熱容的有效手段。本文使用杭州仰儀科技有限公司的BAC-420B低溫型大型電池絕熱量熱儀,基于差示絕熱追蹤測試原理,準確測定了鋰電池在-30~65℃范圍內的變溫比熱容。


實驗部分


1. 樣品準備
實驗樣品:
LFP磷酸鐵鋰軟包鋰電池*2,380mm*120mm*15mm,100%SOC;

標準鋁塊*2,380mm*120mm*15mm,6061鋁合金。

2. 實驗條件
實驗儀器:BAC-420B大型電池絕熱量熱儀;

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圖1 BAC-420B低溫型電池絕熱量熱儀


工作模式:比熱容測試模式;

加熱片參數:PI加熱膜,23.2Ω;

加熱功率:18W;

控溫范圍:-35~60℃。


3. 測試原理

比熱容測試基于差示絕熱追蹤的原理。簡而言之,在量熱儀的絕熱追蹤工作模式下,利用柔性電加熱片對鋰電池與已知比熱容的標準樣品(通常為鋁質)進行加熱,并盡量控制樣品與參比的升溫歷程一致。根據式(1)和式(2),利用參比可計算和扣除由于測試過程中實驗環境難以達到理想絕熱而耗散至環境中的熱量,從而精確測量鋰電池比熱容。


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圖2 基于差示絕熱追蹤原理的比熱容測試方法



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另外,普通型絕熱量熱儀并不具備主動降溫功能,只能進行室溫以上的實驗。BAC-420B低溫型電池絕熱量熱儀配制液氮吹掃降溫功能,可快速將實驗溫度降至-30℃以下進行低溫測試。 

4. 測試步驟

Step1:利用導熱膠帶將加熱片貼合在兩個100%SOC電池(鋁塊)中間,組成三明治結構,并用耐高溫膠帶將整體纏緊;
Step2:打開大型電池絕熱量熱儀爐蓋,將電池樣品(鋁塊)固定于量熱儀腔體內,并利用耐高溫膠帶將樣品熱電偶貼合于樣品大面中心點;
Step3:在操作軟件上選擇比熱容測試模式,并設置相關實驗參數;
Step4:關閉爐蓋,打開液氮罐閥門,進行液氮吹掃降溫,等待樣品及量熱腔蓋壁底溫度低于實驗啟動溫度后,在操作界面上啟動實驗。


實驗結果



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圖3 (a)和(b)比熱容實驗溫升曲線及(c)電池變溫比熱容


如圖3(a)所示,實驗過程中量熱腔爐體溫度與樣品溫度始終保持緊密貼合,溫差低于±0.2℃。準絕熱測試環境封閉了樣品的熱耗散,能夠顯著降低難以準確測量的不確定項所引入的系統誤差。圖3(b)為電池及參比在比熱容實驗中的溫升曲線,由于兩者熱容存在差異性,因此相同加熱功率下溫升速率不wan’全一致。圖3(c)顯示了測定得到的電池變溫比熱容曲線(每5平均),可以發現隨著溫度上升,比熱容呈單調上升趨勢。同時可計算得到電池在-30到65范圍內的平均比熱容為1024.64kJ/(kg*℃)。



結論與展望


利用BAC-420B大型電池絕熱量熱儀可以測量電池在寬溫域內的比熱容數據,能夠幫助研究人員更全面地進行熱管理設計,優化電池系統在高低溫工況下的性能。


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