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iso-BTC 是專為測(cè)試電池或電池組而設(shè)計(jì)的等溫?zé)崃坑?jì)。其中一個(gè)單元與充電/放電單元相結(jié)合,，以幫助在廣泛的操作條件下表征“電池 A”,。由此，可以觀察某些特性并進(jìn)一步了解電池的特性,。

01

背景介紹

iso-BTC實(shí)時(shí)提供熱性能信息,，無需在線校準(zhǔn)或離線計(jì)算?？稍?40℃至100℃的溫度范圍內(nèi)對(duì)軟包電池,、紐扣電池或圓柱電池進(jìn)行熱性能測(cè)試。

iso-BTC通常與充電/放電單元配合使用,，用于測(cè)量電池的容量并幫助表征電池的性能,。iso-BTC可以測(cè)量電池在充電和放電過程中產(chǎn)生的能量和功率，同時(shí)保持電池處于恒定溫度,。因此,，iso-BTC 執(zhí)行電池溫度管理任務(wù)的結(jié)果可以直接應(yīng)用于實(shí)際案例,。

“電池 A”因其廣泛的可用性,、耐用性以及與其他凝膠電池相似的設(shè)計(jì)特點(diǎn)而進(jìn)行了測(cè)試。電池 A 的充電容量為 2.2 Ah,，由三個(gè)串聯(lián)的鋰電池組成,，位于一個(gè)具有被動(dòng)充電平衡功能的公共外殼中。

本研究旨在展示 iso-BTC 如何幫助表征電池 A 的特征,，這些特征可能與電池單元的設(shè)計(jì),、組成或健康狀況 (SOH) 相關(guān)。

02

設(shè)備和方法

iso-BTC 通過平衡加熱和冷卻進(jìn)行工作,，以保持電池等溫,。通過兩個(gè)導(dǎo)熱板對(duì)電池進(jìn)行冷卻，使其溫度低于電池設(shè)定點(diǎn)的溫度,。然后將加熱器固定到電池上,，并抵消冷卻負(fù)荷以獲得設(shè)定的電池溫度。這種測(cè)試方法稱為功率補(bǔ)償法,。

一旦電池處于穩(wěn)定的溫度,，來自加熱器的功率也將穩(wěn)定。任何由電池產(chǎn)生的放熱或吸熱都可以通過增加或減少加熱器的功率來快速補(bǔ)償,。因此,，與基線的功率差異可以測(cè)量為放熱和吸熱的功率。

03

電池 A 的充電/放電循環(huán)的溫度關(guān)系

電池 A 在60℃至0℃之間的溫度下充電（5 安培）和放電（8 安培）產(chǎn)生的電池溫度和加熱器功率曲線如下圖1 所示,。

圖1- 60℃至0℃-5A充電/8A放電

對(duì)控制器輸出的分析產(chǎn)生以下熱量和能量釋放曲線,，如圖2 所示,。

圖2- 5A充電/8A放電期間釋放的熱量

隨著溫度的降低，充電和放電曲線都顯示出有趣的形狀變化,，盡管這在充電過程中最為明顯,，充電過程在60℃時(shí)完全吸熱， 但在0℃時(shí)完全放熱,。在可重現(xiàn)的中間溫度下,，觀察到過渡行為。在電池充電/放電循環(huán)期間,，作為溫度函數(shù)的峰值功率和能量輸出如下圖3 所示,。注意：由于電池充電既吸熱又放熱，因此顯示了兩個(gè)單獨(dú)的充電功率曲線,。

圖 3- 電池 A 的溫度關(guān)系

4 個(gè)溫度下的充電功率曲線疊加在下面的圖4 中,。

圖 4 – 電池 A 在不同溫度下的充電曲線 – 功率釋放

除了從吸熱行為到放熱行為的轉(zhuǎn)變之外，該數(shù)據(jù)還有其他明顯的變化,；即使在 60℃時(shí)也可以看到熱量輸出中的小放熱峰值（在上面的圖 4 中大約 80 分鐘后出現(xiàn)）,，但隨著溫度的降低，其幅度會(huì)增大,。該峰值可能對(duì)應(yīng)于電池內(nèi)的一些固態(tài)轉(zhuǎn)變,，并且在幾乎所有充電/放電速率下的充電和放電曲線中都可見。
放電曲線的確切形狀也很大程度上取決于溫度,。隨著溫度降低,，放電放熱量越來越大。此外,，上面提到的尖峰通常在放電曲線開始后不久就可見,，盡管其可見度取決于電池的充電歷史。不同溫度下的放電曲線疊加在圖 5 中,。

圖 5 – 電池 A 在不同溫度下的放電曲線 – 功率釋放

電池 A 的容量似乎取決于溫度,。充電和放電電流曲線如圖 6 所示。

圖 6 – 在充電/放電循環(huán)過程中釋放的電池電流和電池?zé)崃?電池 A 在一定溫度范圍內(nèi)

整合這些曲線可以衡量可從電池中取出的電荷量與溫度的關(guān)系——這些曲線如圖 7 所示,。

圖 7 – 電池 A - 5 A 充電/8 A 放電循環(huán)的溫度關(guān)系

圖 8 顯示了稱為電池效率的充電/放電容量比,。它表明容量和效率都受到電池溫度的嚴(yán)重影響。

圖 8 – 電池 A - 5 A 充電/8 A 放電容量比的溫度關(guān)系

電池 A 存在額外的復(fù)雜性,，因?yàn)樗O(shè)計(jì)了 3 個(gè)獨(dú)立的電池,，這些電池串聯(lián)連接，無法控制單個(gè)電池的充電和放電,。雖然在首次組裝電池時(shí)通常將電池匹配良好,，但隨著電池老化，它們不一定會(huì)均勻匹配,，并且在正常使用期間電池內(nèi)部可能會(huì)或?qū)?huì)出現(xiàn)不平衡,。除非實(shí)施某種形式的主動(dòng)或被動(dòng)電荷平衡,。

相反，應(yīng)該采用保守的充電和放電策略,，其中監(jiān)控單個(gè)電池電壓,，一旦電池組中的任何電池達(dá)到適當(dāng)?shù)牟话踩撝担潆姾头烹娋蜁?huì)終止,。這樣做的影響是電池的有用容量通常略低于標(biāo)稱容量并且容易下降,。隨著這個(gè)過程的繼續(xù)，一些電池的充電/放電深度會(huì)降低,，從而導(dǎo)致量熱曲線發(fā)生細(xì)微的變化,。如果不采用這種保守的方法（即在監(jiān)測(cè)單個(gè)電池電壓之前），一些電池很可能會(huì)因過度充電和過度放電而損壞,，并帶來相關(guān)的安全隱患,。

通過主動(dòng)充電平衡，“高”電壓（即高于電池組平均值）的電池將用于為“低”電壓的電池充電,。在無源電池平衡的情況下,，具有高電壓的電池通過平衡負(fù)載放電，直到它們的電壓與電池組中較低電壓電池的電壓相匹配,。

04

電池 A 充電和放電曲線的詳細(xì)信息

由于在 iso-BTC上對(duì)電池 A 進(jìn)行了廣泛研究,，因此有許多關(guān)于該電池在許多不同溫度和充電/放電速率下的量熱曲線示例。所有這些配置文件都顯示出非常相似的特征,，獨(dú)立于冷卻方法或加熱器/熱電偶定位,。

除了這些總體特征之外,，還有幾個(gè)小得多但可重現(xiàn)的特征,，這些特征可能與電池本身發(fā)生的一些潛在變化相對(duì)應(yīng)。下面的圖 9 顯示了一組這樣的功能（并在本案例的前面部分中介紹過）,。

圖 9 – 電池 A 的充電和放電循環(huán)中的放熱峰值

此圖顯示了電池 A 在 40℃ 下運(yùn)行充電/放電的循環(huán),。在此溫度下，充電循環(huán)主要是吸熱的,，盡管在接近充電循環(huán)結(jié)束時(shí)確實(shí)會(huì)發(fā)生短暫的放熱情況,。在放電循環(huán)開始后不久，就會(huì)發(fā)生類似的,、同樣短暫的放熱情況,。在整個(gè)循環(huán)過程中檢查充電狀態(tài) (SOC) 曲線時(shí)，很明顯這兩個(gè)事件發(fā)生在相同的 SOC 值（低于最大充電量 0.61 Ah）,?？赡芨腥さ氖牵?dāng)充電電流減小并且充電周期因此延長時(shí),，在相同 SOC 的每個(gè)周期中都會(huì)出現(xiàn)放熱情況,。

在圖 10 中,，電池反復(fù)充電和放電——充電電流從 5 A 逐步變化到 0.5 A——放電速率固定為 6 A（使用固定負(fù)載）。當(dāng)“尖峰”發(fā)生時(shí)確定電池的 SOC,，獲得以下數(shù)據(jù),。

圖 10 – 電池 A 在不同充電電流 (40℃)下的充電/放電循環(huán)

表 1 – 取決于充電/放電率的尖峰位置

可以進(jìn)行以下觀察：1、尖峰發(fā)生時(shí)的 SOC 具有高度可重復(fù)性,；2,、第一次放電循環(huán)中沒有“尖峰”——這可能是由于電池的初始充電量較低（由自放電引起），或者是因?yàn)槌潆姾蟮碾姵乜赡軙?huì)出現(xiàn)一些老化現(xiàn)象,，之后放熱過程不會(huì)發(fā)生,。

這清楚地表明了如何使用量熱法來提供超出電池組簡(jiǎn)單加熱和冷卻操作的信息，并且很難看到還有什么其他工具可以為這種微觀,、高能量的結(jié)構(gòu)提供類似的信息,。

05

電池 A 放電曲線的阻抗分析

除了識(shí)別上述明顯的放熱特征（這歸因于電池電極內(nèi)的一些重新排列）之外，人們認(rèn)為對(duì)電池放電曲線進(jìn)行一些進(jìn)一步的分析是可能的,。輪廓都具有相似的形狀 - 參見下面的圖 11,。

圖 11 – 不同充電電流下電池 A 的功率釋放

最初，有一個(gè)相對(duì)恒定的吸熱輸出,，隨后會(huì)減少,，然后是已經(jīng)討論過的放熱峰值。電池的熱輸出將包括與電池化學(xué)相關(guān)的熱力學(xué)和與流過電池電阻的大量電流相關(guān)的歐姆加熱,。在電池最初未充電（最小化“二階”相互作用效應(yīng)）的情況下,，我們可以假設(shè)熱力學(xué)在電流中是線性的：

Q= kI - I²R

I 是電池電流

Q 輸出（+ve 表示吸熱）

R 是電池電阻的影響

K 是待確定的未知常數(shù)

如果我們通過兩次重復(fù)測(cè)試將這種形式的表達(dá)式擬合到上述實(shí)驗(yàn)的初始穩(wěn)態(tài)熱輸出，我們會(huì)產(chǎn)生如下圖 12 所示的三個(gè)曲線,。為模型參數(shù)產(chǎn)生以下值：

圖 12 – 電池 A 釋放的穩(wěn)態(tài)熱量建模

表 2 – 取決于電池 SOH 的電池電阻和常數(shù)

在該分析中獲得的相關(guān)系數(shù)相當(dāng)不錯(cuò),，但并不是那么引人注目。實(shí)驗(yàn)之間更好的 K 再現(xiàn)性有助于反映潛在的化學(xué)性質(zhì),。然而,，這三個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)使用了不同健康狀態(tài) (SOH) 的電池，因此也許可以預(yù)期這種程度的可變性,。

06

結(jié)論

該案例研究成功地展示了 iso-BTC如何幫助識(shí)別電池和電池特性,，從而更好地了解被測(cè)電池的化學(xué)、電氣和熱力學(xué)特性,。

雖然 iso-BTC 沒有提供確切的內(nèi)部電芯結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息,，但它確實(shí)有助于表征改變電芯組成的凈效應(yīng)是什么。電池溫度管理系統(tǒng)的重要參數(shù)可以通過iso-BTC的結(jié)果輕松地定義,。

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