“儲熱-釋放”兩狀態(tài)法用于方形鋰電池導熱系數測定

背景介紹

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

由于缺乏有效測試方法與儀器，電池單體導熱系數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、穩態(tài)法等[1]；而對于結構更復雜的方形電池，在不拆解外殼的前提下仍然沒(méi)有有效測試手段，業(yè)內大多使用經(jīng)驗值或原理模型進(jìn)行估計。由于在新能源車(chē)、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(guò)80%，因此開(kāi)發(fā)方形電池導熱系數測試技術(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(jiǎn)化）溫度變化過(guò)程CFD仿真

測試原理

方形電池為具有典型核殼結構的非均質(zhì)樣品。一方面，內部卷芯與外部鋁殼之間的導熱系數差異巨大。殼體的熱屏蔽效應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，需同時(shí)進(jìn)行測試評估。

為解決不拆解狀態(tài)方形電池熱參數測量的問(wèn)題，杭州泰默檢測技術(shù)有限公司開(kāi)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(guò)一次實(shí)驗同時(shí)得到卷芯縱向與面向導熱系數，以及卷芯與殼體間的接觸熱阻。以下對測試方法做簡(jiǎn)要介紹：

為了在不改變電池傳熱規律的前提下簡(jiǎn)化計算，如圖2所示，可將方形電池簡(jiǎn)化為金屬外殼和內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。

該非均質(zhì)模型的四個(gè)關(guān)鍵參數為：

• 芯體導熱系數：面向導熱系數kin、縱向導熱系數kcr；

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

圖2 鋰電池非均質(zhì)等效模型

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

如圖3a所示，實(shí)驗主要分為“儲熱”和“放熱”兩個(gè)階段。

（1）儲熱階段：將電池放置于溫度為T(mén)0的恒溫環(huán)境中，直至樣品達到熱平衡；

（2）放熱階段：開(kāi)啟冷板內冷卻水，使殼體冷卻面溫度從T0階躍變化為T(mén)1（T1

將熱像儀記錄的空間與時(shí)間分布的溫度數據輸入非均質(zhì)傳熱模型進(jìn)行反演，可計算得到方形鋰電池的4個(gè)熱參數（kin、kcr、htcx、htcz）。另外，利用上述參數，并基于仿真結果設定均質(zhì)模型等效評估條件，也可以計算得到方形電池等效面向導熱系數kin-uni與等效縱向導熱系數kcr-uni。

圖3 (a)測量系統結構示意圖; (b)電池最大面溫度場(chǎng)演變過(guò)程示意圖

測試案例

以國內某廠(chǎng)家提供的方形鋰電池作為樣品，按上文所述方法對試樣進(jìn)行測試，實(shí)驗結果如圖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測誤差；(c- f)電池熱參數誤差曲線(xiàn)與測試結果

根據反演結果，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(shí)誤差曲線(xiàn)表明本次反演方法對上述4個(gè)參數的靈敏度均較好，未出現明顯的彼此抵消影響問(wèn)題（圖4c-f）；另一方面，根據預測誤差結果（圖4b），電池在10分鐘冷卻過(guò)程中縱向溫度分布的均方根誤差小于0.2℃，且大部分區域實(shí)時(shí)誤差在0.2℃之內，表明測得參數的準確性較高。

結論