全球首創(chuàng)——“儲熱-釋放”兩狀態(tài)法用于方形鋰電池導熱系數(shù)測定

本文簡要介紹了仰儀科技與泰默檢測聯(lián)合開發(fā)的一種全新的“儲熱-釋放”兩狀態(tài)法在方形電池熱參數(shù)測試中的應(yīng)用。本方法有望填補該測試領(lǐng)域的行業(yè)空白，促進新能源汽車、儲能、消費電子、航空航天等行業(yè)鋰電池熱管理與安全設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。

1、背景介紹

為您提供精確、高效、安全的鋰電池熱測試體驗

鋰電池熱管理系統(tǒng)是提升電池穩(wěn)定性、安全性和有效使用生命周期的重要保障。熱管理設(shè)計與優(yōu)化離不開熱仿真分析技術(shù)，而熱仿真的可靠性不僅依賴于合理的模型，更需要準確的熱物性參數(shù)(導熱系數(shù)、比熱容、換熱系數(shù)等)作為輸入，導熱系數(shù)是其中最重要的參數(shù)之一。

由于缺乏有效測試方法與儀器，電池單體導熱系數(shù)測試尚未形成通用標準。其中，軟包電池測試存在一些可行的方法，如3D熱物性分析儀、穩(wěn)態(tài)法等[1]；而對于結(jié)構(gòu)更復雜的方形電池，在不拆解外殼的前提下仍然沒有有效測試手段，業(yè)內(nèi)大多使用經(jīng)驗值或原理模型進行估計。由于在新能源車、儲能等領(lǐng)域，方形電池的裝機量遠超軟包和圓柱電池，占比超過80%，因此開發(fā)方形電池導熱系數(shù)測試技術(shù)對于行業(yè)發(fā)展具有更重要的意義。

圖1方形電池模組（簡化）溫度變化過程CFD仿真

2、測試原理

方形電池為具有典型核殼結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)樣品。一方面，內(nèi)部卷芯與外部鋁殼之間的導熱系數(shù)差異巨大。殼體的熱屏蔽效應(yīng)將導致上文提及的幾種軟包測試方法失效；另一方面，卷芯與殼體之間的接觸熱阻也是影響單體傳熱的關(guān)鍵參數(shù)，需同時進行測試評估。

為解決不拆解狀態(tài)方形電池熱參數(shù)測量的問題，杭州泰默檢測技術(shù)有限公司開發(fā)了基于紅外熱像儀非接觸式測溫與非均質(zhì)傳熱模型反演的“儲熱-釋放”兩狀態(tài)測試方法，可通過一次實驗同時得到卷芯縱向與面向?qū)嵯禂?shù)，以及卷芯與殼體間的接觸熱阻。以下對測試方法做簡要介紹：

1）計算模型

為了在不改變電池傳熱規(guī)律的前提下簡化計算，如圖2所示，可將方形電池簡化為金屬外殼和內(nèi)部芯片兩部分組成的非均質(zhì)等效模型。其中芯體熱特性為正交各向異性；殼體為均質(zhì)，且已知其熱物性參數(shù)。

該非均質(zhì)模型的四個關(guān)鍵參數(shù)為：

芯體導熱系數(shù)：面向?qū)嵯禂?shù)kin、縱向?qū)嵯禂?shù)kcr；

接觸面換熱系數(shù)：芯體和殼體（大面）換熱系數(shù)hxy、芯體與殼體（冷卻面）換熱系數(shù)hyz；

圖2 鋰電池非均質(zhì)等效模型

2）測試方法

核心思想：模擬電池工作時電芯自發(fā)熱，并向殼體及冷板散熱的過程。殼體的散熱速率取決于芯體導熱系數(shù)與接觸熱阻，可通過觀測殼體溫度分布及動態(tài)變化計算待測熱參數(shù)。

如圖3a所示，實驗主要分為“儲熱”和“放熱”兩個階段。

（1）儲熱階段：將電池放置于溫度為T0的恒溫環(huán)境中，直至樣品達到熱平衡；

（2）放熱階段：開啟冷板內(nèi)冷卻水，使殼體冷卻面溫度從T0階躍變化為T1（T1

將熱像儀記錄的空間與時間分布的溫度數(shù)據(jù)輸入非均質(zhì)傳熱模型進行反演，可計算得到方形鋰電池的4個熱參數(shù)（kin、kcr、htcx、htcz）。另外，利用上述參數(shù)，并基于仿真結(jié)果設(shè)定均質(zhì)模型等效評估條件，也可以計算得到方形電池等效面向?qū)嵯禂?shù)kin-uni與等效縱向?qū)嵯禂?shù)kcr-uni。

圖3 (a)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;(b)電池最大面溫度場演變過程示意圖

3、測試案例

以國內(nèi)某廠家提供的方形鋰電池作為樣品，按上文所述方法對試樣進行測試，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 (a)方形鋰電池樣品；(b)非均質(zhì)傳熱模型仿真與測試溫度預(yù)測誤差；(c- f)電池熱參數(shù)誤差曲線與測試結(jié)果

根據(jù)反演結(jié)果，該方形電池kin=17.4 W/(mK)、kcr=0.61 W/(mK)、htcx=1269 W/(m2K)、htc=584 W/(m2K), 同時誤差曲線表明本次反演方法對上述4個參數(shù)的靈敏度均較好，未出現(xiàn)明顯的彼此抵消影響問題（圖4c-f）；另一方面，根據(jù)預(yù)測誤差結(jié)果（圖4b），電池在10分鐘冷卻過程中縱向溫度分布的均方根誤差小于0.2℃，且大部分區(qū)域?qū)崟r誤差在0.2℃之內(nèi)，表明測得參數(shù)的準確性較高。

4、結(jié)論

本文簡要介紹了“儲熱-釋放”兩狀態(tài)法在方形電池熱參數(shù)測試中的應(yīng)用。本方法能夠填補該測試領(lǐng)域的行業(yè)空白，促進新能源汽車、儲能等行業(yè)鋰電池熱管理與安全設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。

2S熱物性分析儀-TCA 2SC
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