熱動(dòng)態(tài)的三維探索：軟包鋰電池導熱系數的精準測定策略

更新時(shí)間：2023-11-09 | 點(diǎn)擊率：659

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TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀是目前行業(yè)內測定軟包鋰電池各向異性導熱系數最為有效的測試儀器。本文主要介紹針對不同類(lèi)型的電芯如何設計合理的測試方案，以期獲得更準確的測試結果。

原理回顧

3D熱物性分析儀是一款原創(chuàng )儀器，測試原理基于紅外熱像儀測溫與三維熱數據反演技術(shù)。如圖1所示。測試過(guò)程中，將柔性電熱片粘貼在軟包鋰電池底部，施加脈沖熱激勵，并使用紅外熱像儀對電池上表面進(jìn)行非接觸測溫，記錄溫度空間分布及時(shí)間演變數據。結合溫度數據和被測對象的三維熱傳遞數值模型，利用智能優(yōu)化算法進(jìn)行熱參數反演計算，能夠同時(shí)求取電池面向與縱向導熱系數(k_x、k_z)，求解得到的熱參數可以實(shí)現模型預測誤差最小化。

樣品內部真實(shí)的傳熱路徑與數值模型的吻合程度決定了測試結果的置信度。上述指標可以通過(guò)反演計算過(guò)程生成的誤差曲線(xiàn)進(jìn)行定性評估，誤差曲線(xiàn)呈現“V"字形，形狀越尖銳則代表測量結果的置信度越高，即觀(guān)測溫度對導熱系數的偏差越“敏感"。如圖2所示，在理想條件下，加熱片釋放的熱流穿透電芯傳導至上表面；當存在加熱片不適配或參數設置不合理等情況下，一方面將存在不可忽略的熱流分量沿鋁塑膜進(jìn)行傳導，形成樣品表面熱流環(huán)路，偏離計算模型，降低測量準確性；另一方面，若觀(guān)測面的溫升幅值過(guò)小，溫度噪聲帶來(lái)的隨機誤差將導致測量精度下降。

圖1 TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀測試原理

左：儀器外觀(guān)；中：測試原理示意圖；右：預測誤差與誤差曲線(xiàn)

圖2 不同尺寸的電加熱片導致熱傳導路徑差異示意圖

根據上述測量原理，理想的熱激勵源應具備加熱面積小和加熱功率大的特點(diǎn)，而加熱方案如加熱時(shí)長(cháng)和周期等參數設置需要與樣品及加熱源特性相匹配。本文選擇3個(gè)典型尺寸的樣品，重點(diǎn)介紹加熱片選型和加熱方案設計思路，結合具體的應用實(shí)例幫助用戶(hù)獲得更有效的測試數據。

實(shí)驗部分

1. 樣品準備

如圖3，本文選擇2款儲能電池和1款手機電池共3種樣品進(jìn)行測試。上述樣品的尺寸具有一定的代表性，其中15Ah儲能電池為常規尺寸，25Ah儲能電池厚度較大，而3.5Ah手機電池尺寸小，需根據樣品尺寸特點(diǎn)選擇不同規格的加熱片進(jìn)行實(shí)驗。具體樣品信息如表1所示。

圖3 3種電池樣品照片

表1 測試樣品信息

2. 樣品測試

① 15Ah軟包電池測試

該樣品為比較典型的軟包電池尺寸之一，由于長(cháng)邊/厚度的比值較大(>20），熱流能夠快速穿透電池，中心點(diǎn)升溫較快，容易在上表面產(chǎn)生明顯的溫度梯度。因此在確保足夠信噪比的前提下，可以適當降低加熱功率或縮短加熱時(shí)間，縮小在樣品大面方向的溫度擴散范圍，從而避免熱流環(huán)路影響。本實(shí)驗選擇儀器標配的加熱片，尺寸為54mm*36mm，使用加熱方案為：加熱功率8W，加熱時(shí)間30s，加熱周期1個(gè)。

上述測試方案能夠取得較理想的結果。如圖4所示，溫度預測結果和實(shí)測數據的吻合程度非常高，觀(guān)測面的預測誤差控制在0.12℃以?xún)?。同時(shí)觀(guān)察圖4e和圖4f，面向和縱向導熱系數的誤差曲線(xiàn)均呈現尖銳的V字形，測試結果的置信度高。優(yōu)化計算結果為k_x=23.93 W/(m·K)，k_z=0.36 W/(m·K)。

圖4 15Ah軟包電池測試(a) 加熱片安裝方式；(b) 預測誤差空間分布圖；樣品中心點(diǎn)位置溫度時(shí)變曲線(xiàn)(b)仿真與(c)實(shí)測結果對比；(e)縱向與(f)面向導熱系數誤差曲線(xiàn)

② 25Ah軟包電池測試

該樣品厚度大于常規電池，長(cháng)邊/厚度的比值僅為11.5。為了在觀(guān)測面建立足夠的溫度梯度，相較于樣品1需要更長(cháng)的加熱時(shí)間及更高的加熱功率，但同時(shí)容易導致熱流環(huán)路效應。為解決此問(wèn)題，與標配加熱片相比，本實(shí)驗選用的加熱片提高了加熱功率，并減小了尺寸，其規格為29mm*23mm。使用加熱方案為：加熱功率28W，加熱時(shí)間75s，冷卻時(shí)間150s，加熱周期2個(gè)。

利用上述測試方案能夠兼顧測量準確性和精度。如圖5所示，觀(guān)測面的預測誤差控制在0.2℃以?xún)?，同時(shí)面向和縱向導熱系數的誤差曲線(xiàn)均反映出較高的置信度，測試結果為k_x=22.34W/(m·K)，k_z=0.57 W/(m·K)。

圖5 25Ah軟包電池測試(a)加熱片安裝方式；(b)預測誤差空間分布圖；樣品中心點(diǎn)位置溫度時(shí)變曲線(xiàn)(b)仿真與(c)實(shí)測結果對比；(e)縱向與(f)面向導熱系數誤差曲線(xiàn)

③ 3.5Ah小型軟包電池測試

由于該樣品尺寸小，長(cháng)邊/厚度的比值同樣僅為11.8，和樣品2的情況相仿，需選擇加熱功率大而尺寸盡可能小的加熱片。本實(shí)驗選擇的加熱片尺寸為6mm*3mm，使用加熱方案為：加熱功率4W，加熱時(shí)間10s，加熱周期1個(gè)。

如圖6所示，利用上述測試方案，觀(guān)測面的預測誤差可控制在0.15℃以?xún)?。由于加熱片尺寸很小，且加熱時(shí)間短，限制了大面方向的熱擴散；同時(shí)，較高的加熱功率也確保了觀(guān)測面達到足夠的溫升幅值。因此，圖6e和6f同樣表明測試結果的置信度較高。優(yōu)化計算結果為k_x=25.91 W/(m·K)，k_z=0.91 W/(m·K)。

圖6 3.5Ah小型軟包電池測試(a)加熱片安裝方式；(b)預測誤差空間分布圖；樣品中心點(diǎn)位置溫度時(shí)變曲線(xiàn)(b)仿真與(c)實(shí)測結果對比；(e)縱向與(f)面向導熱系數誤差曲線(xiàn)

總結

3D熱物性分析儀能夠準確、高效地分析軟包鋰電池導熱系數。而合理的測試方案能夠進(jìn)一步提升測試結果的準確性和精度。結合用戶(hù)需求，杭州之量科技有限公司提供不同規格的加熱元件，并開(kāi)發(fā)了加熱方案智能推薦算法，可根據樣品特性自動(dòng)設置合理的實(shí)驗參數，顯著(zhù)降低儀器操作難度，確保用戶(hù)能夠便捷使用。

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