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        鋰電池放電曲線的發(fā)熱功率分析

        2021-03-26 07:40:31常佳慧陳雨范亞文李東洪
        科學(xué)與生活 2021年36期

        常佳慧 陳雨 范亞文 李東洪

        摘要:鋰電池工作過程中,將會(huì)伴隨著發(fā)熱現(xiàn)象,對(duì)電能的轉(zhuǎn)化率具有一定的影響。基于此,本文將從比熱容測試、電壓效率、發(fā)熱功率等方面對(duì)鋰電池放電曲線的發(fā)熱功率進(jìn)行分析,對(duì)鋰電池的性能參數(shù)進(jìn)行測試,降低供電過程中熱量的產(chǎn)生,提高鋰電池的節(jié)能效果,保障鋰電池的放電效果。

        關(guān)鍵詞:鋰電池;放電曲線;發(fā)熱功率

        引言:受到電池內(nèi)阻的影響,在工作過程中將會(huì)造成熱量的積累,一旦熱量累積到一定程度,將會(huì)導(dǎo)致鋰電池存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn),需要對(duì)發(fā)熱問題引起重視。發(fā)熱是鋰電池的常見問題,需要對(duì)發(fā)熱功率進(jìn)行分析,對(duì)發(fā)熱過程進(jìn)行深入了解,將發(fā)熱的控制在較低范圍,提高鋰電池的熱管理水平。

        1鋰電池放電曲線的發(fā)熱功率概述

        鋰電池在工作時(shí)存在熱累積現(xiàn)象,一旦發(fā)熱過程不受控制,將會(huì)導(dǎo)致熱損失不斷增加,甚至?xí)绊懙诫姵氐氖褂脡勖枰獙?duì)發(fā)熱功率問題引起重視。電池放電過程中,需要對(duì)電壓、比熱容等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,為鋰電池發(fā)電過程提供數(shù)據(jù)支持,在降低鋰電池發(fā)熱的同時(shí)提高電能的轉(zhuǎn)化率。溫度對(duì)于鋰電池而言較為重要,需要避免高溫發(fā)熱的情況,對(duì)鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善,提高對(duì)鋰電池放熱的控制效果。鋰電池放電過程中,將會(huì)產(chǎn)生溫度的變化,需要對(duì)熱量變化進(jìn)行分析,提高熱量檢測結(jié)果的可靠性,對(duì)電池內(nèi)部的熱量進(jìn)行分析,便于對(duì)電池的發(fā)熱情況情況進(jìn)行了解。鋰電池在連續(xù)工作時(shí),發(fā)熱功率將會(huì)逐漸增加,表面電池的損耗程度正逐漸加劇,因而需要對(duì)發(fā)熱功率進(jìn)行嚴(yán)格控制。

        2鋰電池放電曲線的發(fā)熱功率分析

        2.1試驗(yàn)樣品

        為了對(duì)鋰電池放電發(fā)熱情況進(jìn)行探究,需要做好試驗(yàn)樣品的準(zhǔn)備工作,確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠易于測量,提高試驗(yàn)方法的有效性。試驗(yàn)過程中,采用鈷酸鋰作為正極,石墨作為負(fù)極,將其組裝成軟包電池進(jìn)行試驗(yàn),構(gòu)建完善的電池樣本體系。試驗(yàn)樣品的額定電壓為3.8V,額定容量為15.1Ah,尺寸為150mm×1100mm×8.5mm。試驗(yàn)前,需要對(duì)鋰電池的基本信息進(jìn)行了解,便于發(fā)熱功率測試過程的展開,提高測試方法的有效性[1]。

        2.2比熱容測試

        比熱容是對(duì)鋰電池進(jìn)行熱控制的重要參數(shù),可以確定電池的升溫變化情況,對(duì)電池的熱效應(yīng)進(jìn)行判斷。鋰電池比熱容Cp的計(jì)算方法如下:

        其中,m為鋰電池的質(zhì)量(kg);P為加熱功率(W);△T為溫度變化(℃);△t為升溫時(shí)間。通過上述公式,可以確定鋰電池的比熱容變化情況,得到放電過程中比熱容水時(shí)間的變化曲線,便于鋰電池的熱效應(yīng)進(jìn)行分析。在測試過程中,需要以電池包的形式進(jìn)行測量,將兩塊電池作為一個(gè)整體,提高加熱功率測量的穩(wěn)定性,同時(shí)構(gòu)建出Cp與T的變化函數(shù),對(duì)比熱容的測試范圍進(jìn)行擴(kuò)寬,電池需要放置在絕熱空間進(jìn)行測量,避免測溫過程造成熱量損失,使溫度測量過程更加的精準(zhǔn)。測量前需要對(duì)測溫儀器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化地校正,確保實(shí)測參數(shù)的合理性,得出較為準(zhǔn)確的鋰電池比熱容。

        2.3熱力學(xué)效率

        熱力學(xué)由鋰電池化學(xué)反應(yīng)過程引起,需要做好化學(xué)反應(yīng)的分析工作,提高熱力學(xué)分析過程的有效性。熱力學(xué)效率計(jì)算公式如下:

        其中,△G為熵變(kJ/mol);△H為焓變(kJ/mol)。熱力學(xué)效率關(guān)系到電池的放熱情況,需要對(duì)熱力學(xué)計(jì)算引起重視,確保電池反應(yīng)能夠順利地進(jìn)行,促進(jìn)電池反應(yīng)的電能轉(zhuǎn)化,同時(shí)抑制反應(yīng)中熱量的生成,保障鋰電池?zé)崃W(xué)的穩(wěn)定性。鋰電池體系由Li/Li1-xCoO2構(gòu)成,通過文獻(xiàn)資料可知,該體系對(duì)應(yīng)的參數(shù)△G為-389.8kJ/mol,△H為-392.4kJ/mol。所以,熱力學(xué)效率η=△G/△H=(-389.8)/(-392.4)=99.3%。由此可見,該鋰電池具有良好的熱力學(xué)效率,電池反應(yīng)能夠順利地進(jìn)行。

        2.4電壓效率

        隨著鋰電池的不斷使用,有效電壓將會(huì)出現(xiàn)逐漸降低的情況,將會(huì)影響到鋰電池的放電效果。電壓效率受到發(fā)熱功率的影響,隨著發(fā)熱過程的不斷進(jìn)行,電池內(nèi)阻將會(huì)逐漸增加,導(dǎo)致電池出現(xiàn)放熱情況加劇,使電池?zé)o法正常進(jìn)行使用。電壓效率需要通過放電曲線進(jìn)行分析,使電池能夠進(jìn)行完全放電,確保電壓效率測量的準(zhǔn)確性。對(duì)鋰電池放電過程中的容量與電壓關(guān)系曲線進(jìn)行構(gòu)建,其中橫軸為容量(Ah)、縱軸為電壓(V)。將開路電壓與放電電壓分別繪制在圖像中,對(duì)容量-電壓曲線進(jìn)行觀察與計(jì)算。由容量-電壓曲線可知,鋰電池開路平均電壓為4.08V,放電平均電壓為3.41V。放電效率計(jì)算公式如下:

        其中,U開為開路電壓(V);U放為放電電壓(V)。因此,可以得到鋰電池的放電效率η=U開/U放=3.41/4.08=83.6%。

        2.5發(fā)熱功率

        發(fā)熱功率是判斷鋰電池發(fā)熱情況的重要參數(shù),需要對(duì)放電過程中的發(fā)熱情況展開計(jì)算,確保鋰電池能夠正常發(fā)熱。鋰電池發(fā)熱過程由化學(xué)反應(yīng)熱、內(nèi)阻熱、極化熱構(gòu)成,共同決定著電池的效率,需要做好熱量損失的計(jì)算,對(duì)發(fā)熱功率進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。鋰電池的發(fā)熱組成較為復(fù)雜,需要采用測量的方法得到熱量變化,提高熱量測量的準(zhǔn)確性。鋰電池的溫度測量需要在絕熱箱中進(jìn)行,在箱體內(nèi)部安裝溫度傳感器,實(shí)時(shí)對(duì)箱體內(nèi)部溫度變化進(jìn)行檢測,便于對(duì)發(fā)熱變化情況進(jìn)行判斷。鋰電池采用4C恒流放電的方式,使鋰電池能夠穩(wěn)定地進(jìn)行放電。放熱功率P熱=kP放,其中,P熱為放熱功率(W);P放為放電功率。通過上述關(guān)系,便可以實(shí)現(xiàn)發(fā)熱功率的計(jì)算,同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的精度[2]。

        2.6測試結(jié)果

        為了保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性,需要對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析,對(duì)發(fā)熱功率的可靠性進(jìn)行判斷。測試結(jié)果通過恒流放電絕熱溫升曲線進(jìn)行分析,曲線發(fā)熱功率采用P熱=Q/△t進(jìn)行計(jì)算。曲線的橫軸為時(shí)間(min),縱軸為熱量(kJ),由上述公式便可以對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),提高測試結(jié)構(gòu)的有效性,確保放電測量結(jié)果與實(shí)際相符。通過上述公式,可以提高計(jì)算模型的可靠性,促進(jìn)恒流放電發(fā)熱功率測試過程的進(jìn)行,保證理論計(jì)算與實(shí)際測量能夠形成對(duì)比,使測試結(jié)果得到精準(zhǔn)校驗(yàn)。

        結(jié)論:綜上所述,發(fā)熱是鋰電池工作的常見現(xiàn)象,需要做好放電曲線的分析工作,降低鋰電池的發(fā)熱損耗,使發(fā)熱功率能夠得到有效降低。在鋰電池設(shè)計(jì)過程中,需要對(duì)發(fā)熱功率進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算,使發(fā)熱功率能夠得到嚴(yán)格控制,對(duì)鋰電池的性能進(jìn)行完善,保障鋰電池能夠正常工作。

        參考文獻(xiàn):

        [1]陳育哲. 鋰離子電池能量狀態(tài)估計(jì)研究[D].北京交通大學(xué),2021.

        [2]劉建. 鈷酸鋰電池加速壽命試驗(yàn)及模型研究[D].西南科技大學(xué),2020.

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