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iso-BTC 是專為測試電池或電池組而設(shè)計的等溫?zé)崃坑?。其中一個單元與充電/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一步了解電池的特性。

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背景介紹

iso-BTC實時提供熱性能信息，無需在線校準或離線計算。可在-40℃至100℃的溫度范圍內(nèi)對軟包電池、紐扣電池或圓柱電池進行熱性能測試。

iso-BTC通常與充電/放電單元配合使用，用于測量電池的容量并幫助表征電池的性能。iso-BTC可以測量電池在充電和放電過程中產(chǎn)生的能量和功率，同時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)計特點而進行了測試。電池 A 的充電容量為 2.2 Ah，由三個串聯(lián)的鋰電池組成，位于一個具有被動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、組成或健康狀況 (SOH) 相關(guān)。

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設(shè)備和方法

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

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償。因此，與基線的功率差異可以測量為放熱和吸熱的功率。

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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℃時完全吸熱， 但在0℃時完全放熱。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，因此顯示了兩個單獨的充電功率曲線。

圖 3- 電池 A 的溫度關(guān)系

4 個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，其幅度會增大。該峰值可能對應(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，因為它設(shè)計了 3 個獨立的電池，這些電池串聯(lián)連接，無法控制單個電池的充電和放電。雖然在首次組裝電池時通常將電池匹配良好，但隨著電池老化，它們不一定會均勻匹配，并且在正常使用期間電池內(nèi)部可能會或?qū)霈F(xiàn)不平衡。除非實施某種形式的主動或被動電荷平衡。

相反，應(yīng)該采用保守的充電和放電策略，其中監(jiān)控單個電池電壓，一旦電池組中的任何電池達到適當?shù)牟话踩撝担潆姾头烹娋蜁K止。這樣做的影響是電池的有用容量通常略低于標稱容量并且容易下降。隨著這個過程的繼續(xù)，一些電池的充電/放電深度會降低，從而導(dǎo)致量熱曲線發(fā)生細微的變化。如果不采用這種保守的方法（即在監(jiān)測單個電池電壓之前），一些電池很可能會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。

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電池 A 充電和放電曲線的詳細信息

由于在 iso-BTC上對電池 A 進行了廣泛研究，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)束時確實會發(fā)生短暫的放熱情況。在放電循環(huán)開始后不久，就會發(fā)生類似的、同樣短暫的放熱情況。在整個循環(huán)過程中檢查充電狀態(tài) (SOC) 曲線時，很明顯這兩個事件發(fā)生在相同的 SOC 值（低于最大充電量 0.61 Ah）。可能更有趣的是，當充電電流減小并且充電周期因此延長時，在相同 SOC 的每個周期中都會出現(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（使用固定負載）。當“尖峰”發(fā)生時確定電池的 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

可以進行以下觀察：1、尖峰發(fā)生時的 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），或者是因為充電后的電池可能會出現(xiàn)一些老化現(xiàn)象，之后放熱過程不會發(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。

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電池 A 放電曲線的阻抗分析

除了識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，人們認為對電池放電曲線進行一些進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，有一個相對恒定的吸熱輸出，隨后會減少，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)測試將這種形式的表達式擬合到上述實驗的初始穩(wěn)態(tài)熱輸出，我們會產(chǎn)生如下圖 12 所示的三個曲線。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)相當不錯，但并不是那么引人注目。實驗之間更好的 K 再現(xiàn)性有助于反映潛在的化學(xué)性質(zhì)。然而，這三個實驗重復(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。

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結(jié)論

該案例研究成功地展示了 iso-BTC如何幫助識別電池和電池特性，從而更好地了解被測電池的化學(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)的詳細信息，但它確實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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