《锂离子动力蓄电池热特性参数测量方法》

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锂离子动力蓄电池热特性参数测量方法

1范围

本文件规定了锂离子动力蓄电池热特性参数比热容和导热系数测试的测试条件、样品准备及测试

方法等内容。

本文件适用于电动汽车用锂离子动力蓄电池单体（以下简称“电池单体”）的测试。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文

件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适

用于本文件。

GB38031—2020电动汽车用动力蓄电池安全要求

GB/T19596—2017电动汽车术语

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

电池单体secondarycell

将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置。

注：通常包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充放电。

[来源：GB38031-2020，3.1]

3.2

额定容量ratedcapacity

以制造商规定的条件测得的并由制造商申明的电池单体、模块、电池包或系统的容量值。

注：额定容量通常用安时（Ah）或毫安时（mAh）来表示。

[来源：GB38031-2020，3.7]

3.3

绝热加速量热仪adiabatic-acceleratingratecalorimeter

一种专门用于测量化学反应或物理过程中释放或吸收的热量的实验装置。该仪器通常包括一个样

品室，用于容纳测试样品，以及一个绝热系统，控制热量的流失或进入系统。

注：仪器原理是在绝热条件下，即在没有热量交换的环境中，确保了所有释放或吸收的热量都与所被测样品的反

应或过程直接相关。

3.4

热电偶thermocouple

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一种温度传感器，由两种金属连接而成闭合回路，通过测量连接点与接线端之间电势差，可以确

定连接点处的温度。

3.5

荷电状态stage-of-charge

当前蓄电池中按照规定放电条件可以释放的容量占可用容量的百分比。

[来源：GB/T19596-20173.3.3.2.5]

3.6

截止电压cut-offvoltage

制造商规定的动力蓄电池在充电或放电过程中，电池操作的电压达到的一个特定阈值，保护电池

免受过度充电（上限截止电压）或过度放电（下限截止电压）的影响。

3.7

电池极芯batterycore

由正极、负极、隔膜以叠片或卷绕的方式组合在一起的组件，是锂离子电池的核心组件。

3.8

方壳电池prismaticcell

结构上采用铝壳或钢壳封装，外形为长方体形的锂离子蓄电池。

3.9

软包电池pouchcell

在结构上采用铝塑膜封装的锂离子蓄电池。

3.10

圆柱电池cylindricalcell

外形为圆柱型的锂离子蓄电池。

3.11

比热容specificheatcapacity

表示物质提高温度所需热量的能力，它指单位质量的某种物质升高（或下降）单位温度所吸收

（或放出）的热量。

3.12

导热系数thermalconductivitycoefficient

在稳定传导传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1℃，在单位时间内，通过1m2传递的

热量。

4符号和缩略语

4.1符号

下列符号适用于本文件。

I1：1h率放电电流（A），其数值等于额定容量值。

I3：3h率放电电流（A），其数值等于额定容量值的1/3。

4.2缩略语

下列缩略语适用于本文件。

ARC：绝热加速量热仪（Adiabatic-acceleratingRateCalorimeter）

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FS：全量程（FullScale）

SOC：荷电状态(StateOfCharge)

5测试条件

5.1一般条件

5.1.1除另有规定外，试验应在温度为25℃±5℃，相对湿度10%～90%，大气压力为86kPa～106

kPa环境下开展。

5.1.2当测试规定的温度改变时，在进行测试前测试样品需要完成环境适应的过程：直到单体电池表

面温度为25℃±5℃。

5.2测量仪器、仪表准确度

测量仪器、仪表准确度应满足以下要求：

a)电压测量装置：不低于0.5级，误差在±0.5％FS；

b)电流测量装置：不低于0.5级，误差在±0.5％FS；

c)温度测量装置：≤375℃，±1.5℃；

d)尺寸测量装置：误差在±0.1％FS；

e)质量测量装置：误差在±0.1％FS。

5.3数据记录和记录间隔

除非在某些具体测试项目中另有说明，否则测试数据的记录时间间隔应不大于1s。

6样品准备

6.1电池极芯封装

软包电池不需额外处理，方壳电池及圆柱电池需将电池极芯拆出并用铝塑膜重新封装，拆解流程

见附录A。

6.2SOC调整方法

调整SOC至试验目标值n%的方法：按制造商提供的充电方式将电池单体充满电，静置1h，以1I3，

恒流放电T，T按照式（1）计算得到，或者采用制造商提供的方法调整SOC。每次SOC调整后，在新

的测试开始前试验对象应静置30min。

100n……………...….…….….….….….….….（1）

T3

100

式中：

T——放电时间，单位为小时（h）；

n——试验目标值的百分数值。

6.3样品相关参数获取

样品参数获取步骤如下：

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a)将拆解并重新封装的极芯放置于电子天平上，对其进行称重并记录示数为Mcore；

b)对极芯的几何尺寸进行测量并记录，并将尺寸参数记录到附录B的表B.1中；

c)根据极芯的质量以及几何参数按照公式（2）计算得到极芯密度，并将相关参数记录到附录B

的表B.1中。

M

core……………...….…….….….….….….（2）

Vcore

式中：

Mcore——极芯质量，单位为千克（kg）；

3

ρcore——极芯密度，单位为千克每立方米（kg/m）；

3

Vcore——极芯体积，单位为立方米（m）。

注：core下标表示极芯。

7比热容测试方法

7.1样品设置

准备两个相同的重新封装的极芯和一片面积相同的薄膜加热片，将加热片置于两个极芯之间，分

别在加热片与两个极芯外侧安装热电偶，如图1所示。

图1比热容测试样品设置示意图

7.2加热片功率及加热温度的设置

加热片的功率及加热温度设置方法：加热片功率的选取应尽量小，选择加热功率在直流电源输出

量程的1/3～1/2处，加热的最高温度不超过75℃。

注：可以根据预估的电池极芯的比热容初步计算所需的加热功率，对于三元锂电池极芯，预估比热容推荐为1000

J/（kg·K），对于磷酸铁锂电池极芯预估比热容推荐1100J/（kg·K）。

7.3测试步骤

比热容测试步骤如图2所示，具体如下：

a)将准备好的极芯放置在ARC腔体中的支架上，并在一个极芯的外侧大面中心布置安装ARC主

热电偶；

b)将ARC的工作模式设置为绝热模式，将加热片连接至直流电源，将热电偶接至数据采集仪；

c)关闭ARC盖子，对相关线束加以保护；

d)开始测试，分别打开数据采集器与直流电源；

e)将试验样品加热至60℃（不超过75℃），停止加热片加热，停止数采，整理试验设备。

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图2比热容测试连接示意图

7.4数据处理

由于在绝热环境下，极芯与外界没有热交换，可认为加热片产生的所有的热量均被两个极芯吸收。

通过监测极芯温度随加热时间的变化可获得电池极芯的比热容参数。极芯的比热容用式（3）进行计算。

Pt

Cp……………...….…….….….….….（3）

MTcore

式中：

Cp——比热容，单位为焦耳每千克每开尔文（J/（kg·K））；

P——加热器功率，单位为瓦（W）；

Mcore——极芯总质量，单位为kg；

ΔT——温升，单位为摄氏度（℃）；

t——时间，单位为秒（s）；

注：下标core代表电池极芯.

计算结果示例见附录C中图C.1所示。

8导热系数测试方法

8.1加热片的设置

加热片功率及加热温度的设置方法：加热功率的选取原则为使得极芯能够在3min～5min内上升

20℃左右，并尽量选择使加热功率在直流电源功率输出量程的1/3～1/2处，加热片的面积应尽可能

的小，类似点状加热，更能通过热电偶获取温度分布数据。

8.2测试步骤

测试步骤如下：

a)在两块用铝塑膜重新封装的极芯中心位置粘贴加热片，且在加热片与极芯表面之间涂抹导热

硅脂，使热接触充分、减小测试误差，如图3所示；

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b)在两块极芯外侧面与加热片对应的位置粘贴热电偶，并在长度方向上每隔一段距离（2cm）

粘贴一个热电偶，粘贴不少于3个热电偶，记录各个位置的温度。另外，再在极芯外表面覆

盖泡沫塑料等隔热材料；

c)将加热片连接至直流电源，热电偶连接至数据采集仪；

d)开启加热片电源，并记录数据；

e)当最高温升达到60℃（最大不超过75℃）停止实验。

图3导热系数测试步骤示意图

8.3数据处理

通过对极芯中部进行加热，得到不同位置的温度响应差异，计算得到相应方向的导热系数。在不

考虑散热影响的情况下，极芯受加热后的温度分布符合固体传热基本公式（4）。

dTTTT

Cq

coreVpxyz.….….….（4）

dtxxyyzz

式中：

3

ρcore——电池极芯的密度，单位为千克每立方米（kg/m）；

Cp——电池极芯的热容，单位为焦耳每千克每开尔文（J/（kg·K））；

3

qV——热源产热功率，单位为瓦每立方米（W/m）；

λx——电池在x方向上的导热系数，单位为瓦特每米每开尔文（W/m·K）

λy——电池在y方向上的导热系数，单位为瓦特每米每开尔文（W/m·K）

λz——电池在z方向上的导热系数，单位为瓦特每米每开尔文（W/m·K）

其中，λx=λy为极芯展向上的导热系数，λz为极芯径向上的导热系数。

根据上述测试方法，通过数值仿真软件的固体传热模块，对极芯的受热过程进行仿真模拟，在仿

真模型中监测与实验中对应热电偶位置的温度，并通过优化算法，对极芯的导热系数进行优化，直到

仿真中各点位置的温度接近实验中测得的各点温度为止，将此时仿真结果优化得到的导热系数作为极

芯实际的导热系数。具体计算过程及示例结果参考附录D，将计算得到的电池热特性参数记录到附录

B的表B.1中。

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附录A

（资料性）

电池拆解方法

A.1方壳电池拆解

A.1.1拆解样品

方壳单体电池。

A.1.2拆解设备

切割工具、绝缘工具（绝缘刀、绝缘剪刀等）、拆解工具等。

A.1.3拆解环境

电池拆解操作需在露点值小于–40℃的干房或者含水量小于10ppm，含氧量小于10ppm的手套箱

中进行。

A.1.4拆解步骤

具体步骤如下：

a)将电池按照6.2规定的方法放空电，放空电到到下限截止电压，静置完成后记录单体电池电

压；

b)在电池上部靠近上盖处画出两圈平行的切割线，并用切割工具沿切割线进行切割，使得两圈

切割线处电池壳体厚度变薄，但仍保持密封；

c)用工具把上盖与壳体分离，将电池外壳完全切割开，取出电池极芯，如图A.1所示。

图A.1方壳电池拆解步骤

A.1.5注意事项

对于极芯数目为1的电池单体，需拆解两只方壳电池以获取两块极芯，拆解之后的电池极芯应重新

封装成软包电池并在3天之内开展比热容或导热系数测试。

A.2圆柱电池拆解

A.2.1拆解设备

切割工具、绝缘工具（绝缘刀、绝缘剪刀等）、拆解工具等。

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A.2.2拆解环境

实验操作需在露点值小于–40℃的干房或者含水量小于10ppm，含氧量小于10ppm的手套箱中进

行。

A.2.3拆解步骤

具体步骤如下：

a)将电池按照6.2规定的方法放空电，放电到下限截止电压，静置完成后记录单体电池电压；

b)在电池上部靠近上盖处画出两圈平行的切割线，并用切割工具沿切割线进行切割，使得2圈

切割线处电池壳体厚度变薄，但仍保持密封；

c)用绝缘工具把刻划出来的壳体通过卷绕的方式与壳体分离，取出电池极芯。

图A.2圆柱电池拆解步骤示意图

A.2.4注意事项

拆解之后的电池极芯应用铝塑膜重新密封并在3天之内开展比热容或导热系数测试。

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附录B

（资料性）

极芯参数及比热容、导热系数测试结果记录表

极芯参数及比热容、导热系数测试结果记录见表B.1所示：

表B.1电池极芯参数及比热容、导热系数测试结果记录表

参数单位数值

长度m

尺寸宽度m

厚度m

极芯质量kg

比热容J/(kg·K)

λx=λyW/(m·K)

导热系数

λzW/(m·K)

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附录C

（资料性）

比热容测试结果示例

比热容测试结果示例如图C.1所示：当极芯的温升为28.2℃，极芯的质量为4.3kg，加热功率为

6.54W，以及加热时间为400min时，根据式（3）可计算得到极芯的比热容为971J/(kg·K)。

图C.1比热容测试的温度-时间曲线示例

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附录D

（资料性）

导热系数优化辨识示例

D.1搭建固体传热仿真模型

在仿真软件中建立三维几何模型，选择固体传热物理场，设置加热片为热源，并设置相同的加热

功率，在模型中相同位置设置温度探针，如图D.1所示。模拟加热片加热极芯并传热的过程，根据极

芯材料特性参数（比热容、密度）和尺寸，可对极芯x、y、z方向的导热系数进行优化计算，并计算

和实验相对应位置的温度。

图D.1仿真软件中固体传热建模示意图

D.2设置优化目标函数

在仿真软件的优化模块中，选择优化方法进行仿真。定义所有温度点的仿真和试验之差的累加值

为优化目标函数푌，优化目标是使得该函数数值最小，具体的计算公式如下式（D.1）所示。

nt2

YUT1….….…..….…..…..….….（D.1）

i1jj

t0j

式中：n——试验中布置的热电偶数量；

t0——仿真中的起始时间，单位为秒（s）；

t1——仿真中的终止时间，单位为秒（s）；

∈j——权重系数，在该模型中，权重系数选为1；

Uj——仿真温度，单位为摄氏度（℃）；

Tj——试验温度，单位为摄氏度（℃）。

D.3结果获取

在仿真软件中优化可得到的不同位置温度曲线结果，示例结果如图D.2所示，图中各个温度位置

的试验曲线和仿真曲线基本重合时，认为优化结果最接近于极芯各方向上的实际导热系数。

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图D.2模型仿真温度与实验温度对比及导热系数优化结果示例

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ICS43.120

CCST47

中国汽车工程学会标准

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锂离子动力蓄电池热特性参数测量方法

Measurementmethodofthermalcharacteristicparameters

oflithium-ionpowerbatteries

（报批稿）

在提交反馈意见时，请将您知道的该标准所涉必要专利信息连同支持性文件一并附上。

20xx-XX-XX发布20xx-XX-XX实施

中国汽车工程学会发布

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锂离子动力蓄电池热特性参数测量方法

1范围

本文件规定了锂离子动力蓄电池热特性参数比热容和导热系数测试的测试条件、样品准备及测试

方法等内容。

本文件适用于电动汽车用锂离子动力蓄电池单体（以下简称“电池单体”）的测试。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文

件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适

用于本文件。

GB38031—2020电动汽车用动力蓄电池安全要求

GB/T19596—2017电动汽车术语

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

电池单体secondarycell

将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置。

注：通常包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充放电。

[来源：GB38031-2020，3.1]

3.2