一种锂离子电池电压温度系数的测试方法与流程

1.本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种锂离子电池电压温度系数的测试方法。

背景技术：

2.众所周知，锂离子电池在使用过程中会产热，特别是电动车用动力锂离子电池及储能电池，热管理系统对电池性能的正常发挥及安全使用，显得尤为重要。
3.而在热管理设计中，通常需要通过仿真技术对电池进行热模拟。目前，常采用bernardi生热速率模型作为锂离子电池单体的简化生热模型，来对电池产热情况进行模拟计算。该bernardi生热速率模型主要考虑了不可逆热、可逆热两部分，忽略了副反应热和混合热。
4.需要说明的是，根据bernadi产热模型，电池产热功率为q＝i(e-u)-itde/dt，其中i为电池充放电时的电流，u为电池的工作电压，e为开路电压；t为电池所处环境温度，de/dt为电压温度系数。i(e-u)项为电池阻抗及极化引起的产热，在电池充电和放电过程中均表现为放热，即为不可逆热；-itde/dt项为锂离子电池正负极的反应热(熵变热)，该反应热在电池充电和放电过程中的表现相反，如果充电过程表现为放热，则放电过程表现为吸热，或者如果充电过程表现为吸热，则放电过程表现为放热，即为可逆热。可逆热，为锂离子电池正负极材料由于锂离子的嵌入和脱出而导致材料发生熵变引起的产热，由于在电池充电和放电过程中，锂离子嵌入和脱出是相反的熵变过程，因此此部分产热为可逆热。
5.电池在大电流密度下工作时，由焦耳热和极化热构成的不可逆热占据主导地位。而当工作电流为中小电流时，必须考虑可逆热，因为它反映了在电化学反应过程中电极材料的熵变信息，因此，可逆热的准确测量对于锂离子电池的热模拟仿真具有重要的意义。
6.在可逆热的计算中，首先需要测试获得电池的电压温度系数(de/dt，即以电池的开路电压e对电池表面温度t进行的微分)。通常采用直接测量的方法，即通过测量不同荷电状态(soc，也叫剩余电量)的电池在不同温度下的开路电压，计算获得电池在每一个荷电状态下的电压温度系数。但是，该方法的具体测试过程中，需要在不同温度下静置相当长的时间，通常每个温度下的稳态电压测试时长在4h以上，而一般需要测试5个温度下的稳态电压进行电压温度系数的拟合计算。因此，该方法对于每一个荷电状态下的电压温度系数的测试需要约4h*5＝20h。而且，如果电池存在轻微自放电，在稳态电压的测试过程中，在静置期间，电池自放电会导致电压产生一定程度的降低，而且自放电一般随温度升高而愈发严重，因此对测试的准确度产生较大的影响。
7.因此，目前迫切需要开发出一种技术，在测试获得电池的电压温度系数时，能够显著节约测试所需要的时间，同时不受电池自放电的影响。

技术实现要素：

8.本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种锂离子电池电压温度系
数的测试方法。
9.为此，本发明提供了一种锂离子电池电压温度系数的测试方法，其包括以下步骤：
10.第一步，当需要测试锂离子电池在预设荷电状态soc下的电压温度系数时，对达到该预设荷电状态的锂离子电池进行对称式充放电测试，获得充电前的电池表面温度、充电结束时的电池表面温度、放电前的电池表面温度和放电结束时的电池表面温度；
11.第二步，根据第一步获得的锂离子电池在对称式充放电测试过程中，具有的充电前的电池表面温度、充电结束时的电池表面温度、放电前的电池表面温度和放电结束时的电池表面温度，计算获得锂离子电池在对称式充放电测试过程中产生的可逆热；
12.第三步，根据锂离子电池在对称式充放电测试过程中产生的可逆热，计算获得锂离子电池在该预设荷电状态下的电压温度系数。
13.由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种锂离子电池电压温度系数的测试方法，其设计科学，仅需对电池进行对称式充放电测试，即可通过电池表面温度数据分析计算获得锂离子电池的电压温度系数，与常规的电压静置法相比，本发明的方法在测试获得电池的电压温度系数时，有效避免了常规的电压静置法存在的电池电压达到稳态耗时长的问题，能够显著节约测试所需要的时间，同时不受电池自放电的影响，具有重大的实践意义。
14.经过检验，本发明的测试方法无需昂贵的测试设备，在常规的充放电设备上即可完成，且该测试流程及操作方法科学方便，易于实施，具有良好的应用前景及推广价值。
附图说明
15.图1为本发明提供的一种锂离子电池电压温度系数的测试方法的流程图；
16.图2为本发明提供的一种锂离子电池电压温度系数的测试方法，在实施例1中，锂离子电池在对称式充放电过程中的温度和电压数据示意图；
17.图3为本发明提供的一种锂离子电池电压温度系数的测试方法，在实施例1中，锂离子电池在多个不同的荷电状态(soc)下具有的电压温度系数变化示意图。
具体实施方式
18.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
19.参见图1，本发明提供了一种锂离子电池电压温度系数的测试方法，包括以下步骤：
20.第一步，当需要测试锂离子电池在预设荷电状态(soc，例如10％)下的电压温度系数时，对达到该预设荷电状态(soc)的锂离子电池进行对称式充放电测试，获得充电前的电池表面温度、充电结束时的电池表面温度、放电前的电池表面温度和放电结束时的电池表面温度；
21.在第一步中，具体实现上，将电池置于设定为恒定温度的高低温实验箱中，锂离子电池的表面固定设置有一个热电偶(例如pt1000热电偶)，用于采集电池表面温度数据；
22.设置有热电偶的锂离子电池，被绝热材料膜密封包裹，从而可以减少电池与周围环境的快速热交换。
23.在第一步中，具体实现上，通过现有常规的充放电设备与锂离子电池相连接，即可对锂离子电池进行充放电测试。
24.在第一步中，具体实现上，当锂离子电池在进行对称式充放电测试之前，没有达到预设荷电状态(soc)时，如果锂离子电池的当前荷电状态(soc)时大于预设荷电状态(soc)，则采用预设大小的小电流(例如0.3c)对锂离子电池进行恒流放电，直至锂离子电池达到预设荷电状态(soc)；
25.如果锂离子电池的当前荷电状态(soc)时小于预设荷电状态(soc)，则采用预设大小的小电流(例如0.3c)对锂离子电池进行恒流充电，直至锂离子电池达到预设荷电状态(soc)。
26.在第一步中，具体实现上，对达到该预设荷电状态(soc)的锂离子电池进行对称式充放电测试，具体包括以下操作：
27.首先，对锂离子电池以预设大小的充电电流，恒流充电预设充电时长；
28.然后，对锂离子电池以预设大小的放电电流，恒流放电预设放电时长；
29.其中，充电电流与放电电流的大小相等，均等于电流i；
30.预设充电时长和预设放电时长的大小相等，均等于时长t。
31.具体实现上，电流i的取值范围，优选为0.25c～1c。
32.具体实现上，在对称式充放电测试过程中，锂离子电池的总充电电量和总放电电量相等；
33.在对称式充放电测试过程中，锂离子电池的总充电电量和总放电电量，均优选为等于锂离子电池1％～10％的soc。
34.需要说明的是，在对称式充放电测试过程中，锂离子电池的总充电电量，等于锂离子电池的充电电流与充电时长之积；锂离子电池的总放电电量，等于锂离子电池的放电电流与放电时长之积。
35.需要说明的是，在本发明中，以对称式充放电测试方法，对锂离子电池进行1％～10％soc范围内的充电和放电操作。
36.需要说明的是，所谓对称式充放电，即电池在充电和放电过程中的电流i和时长t均保持一致，因此电池在充电过程中的总充电电量和放电过程中的总放电电量相同。
37.需要说明的是，在对称式充放电后，即在充电后或者放电后，需要将电池静置1h-4h，使电池由于充电或放电产生的温升降下来，达到稳定。在某一个预设荷电状态(soc)下对电池进行对称式充放电测试后，通过后续的计算操作(即第二步和第三步)，可获得电池在该预设荷电状态下的电压温度系数。由于对称式充放电过程的总充电电量和总放电电量之差为零，因此，当需要测试锂离子电池在另外一个荷电状态(soc，定义为第二荷电状态)下的电压温度系数时，则继续以小电流对电池进行充电或放电一定时间，电池达到第二荷电状态，通过重复第一步的对称式充放电测试流程，可计算获得第二荷电状态下的电压温度系数。如此重复，可获得电池在任意一个荷电状态下的电压温度系数。
38.需要说明的是，在本发明的方法中，针对一个荷电态下的测试，需要以对称式充放电测试完成，其中包含充电后和放电后2个静置期，每个静置期用时为1h-4h，总体用时为2h-8h。然后就可以通过计算，获得该荷电态下的电压温度系数。
39.而现有技术(背景技术)中提到的电压静置法，是电池在测试荷电态下，通过一系
列温度下(如25℃、30℃、35℃、40℃、45℃)的电压监测，从而获得不同温度下的稳态电压(每个温度下用时至少4h)，例如：(25℃，稳态电压v1)、(30℃，稳态电压v2)、(35℃，稳态电压v3)、(40℃，稳态电压v4)、(45℃，稳态电压v5)，然后通过以稳态电压对温度作图，拟合所得线性系数即为该荷电态下电池的电压温度系数de/dt。该过程总用时为4h*5＝20h
40.仅针对一个荷电态下的电压温度系数测试，本发明方法用时(2h-8h)相较于背景技术(20h)显著缩短一半以上。
41.在本发明中，考虑到锂离子电池在低倍率下产热量较少，可能由于电池温升较低而造成计算误差较大的情况，因此电流i优选0.2c以上；同时考虑电池在大电流下充放电时，其产热中的不可逆热占主导，由此可能影响对可逆热的测试，电流优选在1c以下，因此，充电过程和放电过程中的电流i优选为0.25c～1c之间。
42.第二步，根据第一步获得的锂离子电池在对称式充放电测试过程中，具有的充电前的电池表面温度、充电结束时的电池表面温度、放电前的电池表面温度和放电结束时的电池表面温度，计算获得锂离子电池在对称式充放电测试过程中产生的可逆热；
43.在第二步中，具体实现上，根据第一步中测得的锂离子电池在对称式充放电过程中的温度数据进行目标数据提取和分析，充电前电池表面温度为t
oc
，充电结束时电池表面温度为t
ec
；放电前电池表面温度为t
od
，放电结束时电池表面温度为t
ed
，则电池在充电过程中的温升为δtc＝t
ec-t
oc
，电池在放电过程中的温升为δtd＝t
ed-t
od
，从而锂离子电池在充电过程中的总产热qc的计算公式如下：
44.qc＝c
p
·m·
δtc，公式(1)；
45.锂离子电池在放电过程中的总产热qd的计算公式如下：
46.qd＝c
p
·m·
δtd，公式(2)；
47.在上述公式(1)和(2)中，c
p
为电池比热，单位为j
·
g-1
·
k-1
；
48.m为电池质量，单位为g；
49.δtc为电池在充电过程中的温升；
50.δtd为电池在放电过程中的温升。
51.需要说明的是，不可逆热包括阻抗及极化产热，始终表现为放热。
52.需要说明的是，根据bernadi产热模型，电池产热功率为q＝i(e-u)-i
·
t
·
de/dt，其中i为电池充放电时的电流，u为电池的工作电压，e为开路电压；t为电池所处环境温度，de/dt为电压温度系数。i(e-u)项为电池阻抗及极化引起的产热功率，在电池充电和放电过程中均表现为放热，即为不可逆的；-i
·
t
·
de/dt项为锂离子电池正负极的反应热(熵变热)的产热功率，该反应热在电池充电和放电过程中的表现相反，即其产热是可逆的，如果充电过程表现为放热，则放电过程表现为吸热，或者如果充电过程表现为吸热，则放电过程表现为放热。据此，可得到在对称式充电和放电过程中，电池在充电过程的总产热qc为可逆热q
可逆
和不可逆热q
不可逆
之和，即qc＝q
不可逆
+q
可逆
；而放电过程的总产热qd为可逆热q
可逆
和不可逆热q
不可逆
之差，即qd＝q
不可逆-q
可逆
，因此，可通过数学推导得出，不可逆热q
不可逆
和可逆热q
可逆
的计算公式如下：
53.q
不可逆
＝(qc+qd)/2，公式(3)；
54.q
可逆
＝(q
c-qd)/2，公式(4)；
55.在上述公式(3)和(4)中，qc为电池在充电过程的总产热，可由公式(1)计算得到；
56.qd为电池在放电过程的总产热，可由公式(2)计算得到。
57.第三步，根据锂离子电池在对称式充放电测试过程中产生的可逆热，计算获得锂离子电池在该预设荷电状态(soc)下的电压温度系数de/dt。
58.需要说明的是，根据bernadi产热模型，其可逆产热功率为q
可逆
＝-i
·
t
·
de/dt，根据数学推导可得锂离子电池在该预设荷电状态(soc)下的电压温度系数de/dt的计算公式如下：
59.de/dt＝-q
可逆
/(i
·
t)，公式(5)；
60.i为锂离子电池在对称式充放电测试中的电流(即充电电流或者放电电流，充电电流与放电电流相等)，单位为a；
61.t为测试环境的绝对温度，电池在对称式充放电前其自身温度与环境温度一致，因此，t即是在对称式充放电前所测得的电池的温度(即电池表面温度)，单位为k；
62.q
可逆
为可逆热的产热功率，即bernadi产热模型中的-i
·
t
·
de/dt项，单位为j
·
s。
63.需要说明的是，根据第二步测得的可逆热q
可逆
，可以计算该预设荷电状态下电池可逆热的产热功率q
可逆
；
64.q
可逆
＝q
可逆
/t，公式(6)；
65.q
可逆
为可逆热的产热量，由公式(4)计算得到；
66.t为锂离子电池在对称式充电或放电测试中的时间，单位为s。
67.为了更加清楚地理解本发明的技术方案，下面通过具体实施例来说明本发明的技术方案。
68.下面以一款商业化21700圆柱电池为例，结合附图详细说明本发明，以进一步阐述本发明实质性特点和显著的进步。
69.实施例1。
70.选取商业化21700锂离子电池进行测试，该电池容量为4.8ah。本实施例中采用arbin bt2000充放电测试系统对电池进行充放电测试。采用ect-408高低温实验箱为电池测试提供恒温环境。电池表面温度数据的采集，通过fluke 2638a数据采集器以及与数据采集器相连接的pt100热电偶完成。
71.在本实施例中，本发明提供的锂离子电池电压温度系数的测试方法，具体包括以下步骤：
72.第一步，以对称式充放电法，对电池在某个预设荷电状态(具体是10％的荷电状态soc)下进行测试。
73.具体操作上，取待测电池置于25
±
1℃的恒温箱内，并连接到常规的充放电设备(例如arbin bt2000充放电测试系统)上。在电池表面上固定一个pt1000热电偶，用于采集电池表面温度数据。将电池用绝热材料进行密封包裹，以减少电池与周围环境的快速热交换，
74.具体操作上，在电池放电至2.5v后，以0.3c＝1.44a的电流对电池进行充电，充电时间为1200s，则电池达到10％的荷电状态(即一个需要测试的荷电状态)，然后以对称式充放电法对电池进行5％soc范围内的充电和放电，即以0.3c充电600s，之后静置2h，再以0.3c放电600s，之后静置2h。此时即完成电池在10％soc下的对称式充放电测试，根据温度数据分析，可计算得到电池在10％soc下的电压温度系数。
80％soc区间内，电池的电压温度系数为负值，充分表明电池可逆热在不同荷电态下的表现不同，由此说明了测试电池在各个荷电态下电压温度系数的必要性。
94.基于以上技术方案可知，为了克服当前电压温度系数测试方法存在的问题，本发明提出的锂离子电池电压温度系数的测试方法，是一种对称式充放电测试方法，本发明通过在一定荷电状态下对电池进行充放电测试并监测温度变化情况，推导计算出电池的可逆及不可逆热，并据此计算得到电池的电压温度系数，因此可为热模拟仿真计算提供参数。该方法无需大型昂贵测试设备，在常规的充放电设备上即可完成，具有良好的应用前景及推广价值。
95.综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种锂离子电池电压温度系数的测试方法，其设计科学，仅需对电池进行对称式充放电测试，即可通过电池表面温度数据分析计算获得锂离子电池的电压温度系数，与常规的电压静置法相比，本发明的方法在测试获得电池的电压温度系数时，有效避免了常规的电压静置法存在的电池电压达到稳态耗时长的问题，能够显著节约测试所需要的时间，同时不受电池自放电的影响，具有重大的实践意义。
96.需要说明的是，本发明所提供的电池电压温度系数的测试方法中，并没有用到电压这一与电池自放电强相关的参数，因此可有效避免受到电池自放电的影响。
97.经过检验，本发明的测试方法无需昂贵的测试设备，在常规的充放电设备上即可完成，且该测试流程及操作方法科学方便，易于实施，具有良好的应用前景及推广价值。
98.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种锂离子电池电压温度系数的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，当需要测试锂离子电池在预设荷电状态soc下的电压温度系数时，对达到该预设荷电状态的锂离子电池进行对称式充放电测试，获得充电前的电池表面温度、充电结束时的电池表面温度、放电前的电池表面温度和放电结束时的电池表面温度；第二步，根据第一步获得的锂离子电池在对称式充放电测试过程中，具有的充电前的电池表面温度、充电结束时的电池表面温度、放电前的电池表面温度和放电结束时的电池表面温度，计算获得锂离子电池在对称式充放电测试过程中产生的可逆热；第三步，根据锂离子电池在对称式充放电测试过程中产生的可逆热，计算获得锂离子电池在该预设荷电状态下的电压温度系数。2.如权利要求1所述的锂离子电池电压温度系数的测试方法，其特征在于，将电池置于设定为恒定温度的高低温实验箱中，锂离子电池的表面固定设置有一个热电偶，用于采集电池表面温度数据；设置有热电偶的锂离子电池，被绝热材料膜密封包裹。3.如权利要求1所述的锂离子电池电压温度系数的测试方法，其特征在于，当锂离子电池在进行对称式充放电测试之前，没有达到预设荷电状态时，如果锂离子电池的当前荷电状态时大于预设荷电状态，则采用预设大小的小电流对锂离子电池进行恒流放电，直至锂离子电池达到预设荷电状态；如果锂离子电池的当前荷电状态时小于预设荷电状态，则采用预设大小的小电流对锂离子电池进行恒流充电，直至锂离子电池达到预设荷电状态。4.如权利要求1所述的锂离子电池电压温度系数的测试方法，其特征在于，在第一步中，对达到该预设荷电状态的锂离子电池进行对称式充放电测试，具体包括以下操作：首先，对锂离子电池以预设大小的充电电流，恒流充电预设充电时长；然后，对锂离子电池以预设大小的放电电流，恒流放电预设放电时长；其中，充电电流与放电电流的大小相等，均等于电流i；预设充电时长和预设放电时长的大小相等，均等于时长t。5.如权利要求4所述的锂离子电池电压温度系数的测试方法，其特征在于，电流i的取值范围为0.25c～1c。6.如权利要求4所述的锂离子电池电压温度系数的测试方法，其特征在于，在对称式充放电测试过程中，锂离子电池的总充电电量和总放电电量相等；在对称式充放电测试过程中，锂离子电池的总充电电量和总放电电量，均等于锂离子电池1％～10％的soc。7.如权利要求1至6中任一项所述的锂离子电池电压温度系数的测试方法，其特征在于，在第二步中，可逆热q
可逆
的计算公式如下：q
可逆
＝(q
c-q
d
)/2，公式(4)；在上述公式中，q
c
为电池在充电过程的总产热；q
d
为电池在放电过程的总产热；其中，q
c
的计算公式如下：q
c
＝c
p
·
m
·
δt
c
，
ꢀꢀꢀ
公式(1)；q
d
的计算公式如下：
q
d
＝c
p
·
m
·
δt
d
，
ꢀꢀꢀ
公式(2)；在上述公式中，c
p
为电池比热，单位为j
·
g-1
·
k-1
；m为电池质量，单位为g；δt
c
为电池在充电过程中的温升，即等于充电结束时电池表面温度与充电前电池表面温度之差；δt
d
为电池在放电过程中的温升，即等于放电结束时电池表面温度与放电前电池表面温度之差。8.如权利要求7所述的锂离子电池电压温度系数的测试方法，其特征在于，在第三步中，锂离子电池在该预设荷电状态下的电压温度系数de/dt的计算公式如下：de/dt＝-q
可逆
/(i
·
t)，
ꢀꢀꢀ
公式(5)。i为锂离子电池在对称式充放电测试中的电流，单位为a；t为测试环境的绝对温度，单位为k；q
可逆
为可逆热的产热功率，单位为j
·
s。9.如权利要求8所述的锂离子电池电压温度系数的测试方法，其特征在于，根据第二步测得的可逆热q
可逆
，计算该荷电状态下电池可逆热的产热功率q
可逆
；q
可逆
＝q
可逆
/t，
ꢀꢀꢀ
公式(6)；q
可逆
为可逆热的产热量，由公式(4)计算得到；t为锂离子电池在对称式充电或放电测试中的时间，单位为s。

技术总结

本发明公开了一种锂离子电池电压温度系数的测试方法，包括步骤：第一步，当测试锂离子电池在预设荷电状态下的电压温度系数时，通过对称式充放电测试，获得充电前、充电结束时、放电前和放电结束时的电池表面温度；第二步，计算获得锂离子电池在对称式充放电测试过程中产生的可逆热；第三步，根据锂离子电池在对称式充放电测试过程中产生的可逆热，计算获得锂离子电池在该预设荷电状态下的电压温度系数。本发明设计科学，仅需对电池进行对称式充放电测试，即可通过电池表面温度数据分析计算获得锂离子电池的电压温度系数，有效避免了常规电压静置法存在的电池电压达到稳态耗时长的问题，显著节约测试所需要的时间，同时不受电池自放电的影响。自放电的影响。自放电的影响。