iso-BTC 是专为测试电池或电池组而设计的等温热量计。其中一个单元与充电/放电单元相结合，以帮助在广泛的操作条件下表征“电池 A”。由此，可以观察某些特性并进一步了解电池的特性。

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背景介绍

iso-BTC实时提供热性能信息，无需在线校准或离线计算。可在-40℃至100℃的温度范围内对软包电池、纽扣电池或圆柱电池进行热性能测试。

iso-BTC通常与充电/放电单元配合使用，用于测量电池的容量并帮助表征电池的性能。iso-BTC可以测量电池在充电和放电过程中产生的能量和功率，同时保持电池处于恒定温度。因此，iso-BTC 执行电池温度管理任务的结果可以直接应用于实际案例。

“电池 A”因其广泛的可用性、耐用性以及与其他凝胶电池相似的设计特点而进行了测试。电池 A 的充电容量为 2.2 Ah，由三个串联的锂电池组成，位于一个具有被动充电平衡功能的公共外壳中。

本研究旨在展示 iso-BTC 如何帮助表征电池 A 的特征，这些特征可能与电池单元的设计、组成或健康状况 (SOH) 相关。

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设备和方法

iso-BTC 通过平衡加热和冷却进行工作，以保持电池等温。通过两个导热板对电池进行冷却，使其温度低于电池设定点的温度。然后将加热器固定到电池上，并抵消冷却负荷以获得设定的电池温度。这种测试方法称为功率补偿法。

一旦电池处于稳定的温度，来自加热器的功率也将稳定。任何由电池产生的放热或吸热都可以通过增加或减少加热器的功率来快速补偿。因此，与基线的功率差异可以测量为放热和吸热的功率。

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电池 A 的充电/放电循环的温度关系

电池 A 在60℃至0℃之间的温度下充电（5 安培）和放电（8 安培）产生的电池温度和加热器功率曲线如下图1 所示。

图1- 60℃至0℃-5A充电/8A放电

对控制器输出的分析产生以下热量和能量释放曲线，如图2 所示。

图2- 5A充电/8A放电期间释放的热量

随着温度的降低，充电和放电曲线都显示出有趣的形状变化，尽管这在充电过程中最为明显，充电过程在60℃时完全吸热， 但在0℃时完全放热。在可重现的中间温度下，观察到过渡行为。在电池充电/放电循环期间，作为温度函数的峰值功率和能量输出如下图3 所示。注意：由于电池充电既吸热又放热，因此显示了两个单独的充电功率曲线。

图 3- 电池 A 的温度关系

4 个温度下的充电功率曲线叠加在下面的图4 中。

图 4 – 电池 A 在不同温度下的充电曲线 – 功率释放

除了从吸热行为到放热行为的转变之外，该数据还有其他明显的变化；即使在 60℃时也可以看到热量输出中的小放热峰值（在上面的图 4 中大约 80 分钟后出现），但随着温度的降低，其幅度会增大。该峰值可能对应于电池内的一些固态转变，并且在几乎所有充电/放电速率下的充电和放电曲线中都可见。
放电曲线的确切形状也很大程度上取决于温度。随着温度降低，放电放热量越来越大。此外，上面提到的尖峰通常在放电曲线开始后不久就可见，尽管其可见度取决于电池的充电历史。不同温度下的放电曲线叠加在图 5 中。

图 5 – 电池 A 在不同温度下的放电曲线 – 功率释放

电池 A 的容量似乎取决于温度。充电和放电电流曲线如图 6 所示。

图 6 – 在充电/放电循环过程中释放的电池电流和电池热量 电池 A 在一定温度范围内

整合这些曲线可以衡量可从电池中取出的电荷量与温度的关系——这些曲线如图 7 所示。

图 7 – 电池 A - 5 A 充电/8 A 放电循环的温度关系

图 8 显示了称为电池效率的充电/放电容量比。它表明容量和效率都受到电池温度的严重影响。

图 8 – 电池 A - 5 A 充电/8 A 放电容量比的温度关系

电池 A 存在额外的复杂性，因为它设计了 3 个独立的电池，这些电池串联连接，无法控制单个电池的充电和放电。虽然在首次组装电池时通常将电池匹配良好，但随着电池老化，它们不一定会均匀匹配，并且在正常使用期间电池内部可能会或将会出现不平衡。除非实施某种形式的主动或被动电荷平衡。

相反，应该采用保守的充电和放电策略，其中监控单个电池电压，一旦电池组中的任何电池达到适当的不安全阈值，充电和放电就会终止。这样做的影响是电池的有用容量通常略低于标称容量并且容易下降。随着这个过程的继续，一些电池的充电/放电深度会降低，从而导致量热曲线发生细微的变化。如果不采用这种保守的方法（即在监测单个电池电压之前），一些电池很可能会因过度充电和过度放电而损坏，并带来相关的安全隐患。

通过主动充电平衡，“高”电压（即高于电池组平均值）的电池将用于为“低”电压的电池充电。在无源电池平衡的情况下，具有高电压的电池通过平衡负载放电，直到它们的电压与电池组中较低电压电池的电压相匹配。

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电池 A 充电和放电曲线的详细信息

由于在 iso-BTC上对电池 A 进行了广泛研究，因此有许多关于该电池在许多不同温度和充电/放电速率下的量热曲线示例。所有这些配置文件都显示出非常相似的特征，独立于冷却方法或加热器/热电偶定位。

除了这些总体特征之外，还有几个小得多但可重现的特征，这些特征可能与电池本身发生的一些潜在变化相对应。下面的图 9 显示了一组这样的功能（并在本案例的前面部分中介绍过）。

图 9 – 电池 A 的充电和放电循环中的放热峰值

此图显示了电池 A 在 40℃ 下运行充电/放电的循环。在此温度下，充电循环主要是吸热的，尽管在接近充电循环结束时确实会发生短暂的放热情况。在放电循环开始后不久，就会发生类似的、同样短暂的放热情况。在整个循环过程中检查充电状态 (SOC) 曲线时，很明显这两个事件发生在相同的 SOC 值（低于最大充电量 0.61 Ah）。可能更有趣的是，当充电电流减小并且充电周期因此延长时，在相同 SOC 的每个周期中都会出现放热情况。

在图 10 中，电池反复充电和放电——充电电流从 5 A 逐步变化到 0.5 A——放电速率固定为 6 A（使用固定负载）。当“尖峰”发生时确定电池的 SOC，获得以下数据。

图 10 – 电池 A 在不同充电电流 (40℃)下的充电/放电循环

表 1 – 取决于充电/放电率的尖峰位置

可以进行以下观察：1、尖峰发生时的 SOC 具有高度可重复性；2、第一次放电循环中没有“尖峰”——这可能是由于电池的初始充电量较低（由自放电引起），或者是因为充电后的电池可能会出现一些老化现象，之后放热过程不会发生。

这清楚地表明了如何使用量热法来提供超出电池组简单加热和冷却操作的信息，并且很难看到还有什么其他工具可以为这种微观、高能量的结构提供类似的信息。

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电池 A 放电曲线的阻抗分析

除了识别上述明显的放热特征（这归因于电池电极内的一些重新排列）之外，人们认为对电池放电曲线进行一些进一步的分析是可能的。轮廓都具有相似的形状 - 参见下面的图 11。

图 11 – 不同充电电流下电池 A 的功率释放

最初，有一个相对恒定的吸热输出，随后会减少，然后是已经讨论过的放热峰值。电池的热输出将包括与电池化学相关的热力学和与流过电池电阻的大量电流相关的欧姆加热。在电池最初未充电（最小化“二阶”相互作用效应）的情况下，我们可以假设热力学在电流中是线性的：

Q= kI - I²R

I 是电池电流

Q 输出（+ve 表示吸热）

R 是电池电阻的影响

K 是待确定的未知常数

如果我们通过两次重复测试将这种形式的表达式拟合到上述实验的初始稳态热输出，我们会产生如下图 12 所示的三个曲线。为模型参数产生以下值：

图 12 – 电池 A 释放的稳态热量建模

表 2 – 取决于电池 SOH 的电池电阻和常数

在该分析中获得的相关系数相当不错，但并不是那么引人注目。实验之间更好的 K 再现性有助于反映潜在的化学性质。然而，这三个实验重复使用了不同健康状态 (SOH) 的电池，因此也许可以预期这种程度的可变性。

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结论

该案例研究成功地展示了 iso-BTC如何帮助识别电池和电池特性，从而更好地了解被测电池的化学、电气和热力学特性。

虽然 iso-BTC 没有提供确切的内部电芯结构的详细信息，但它确实有助于表征改变电芯组成的净效应是什么。电池温度管理系统的重要参数可以通过iso-BTC的结果轻松地定义。

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