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前言
電池絕熱量熱儀作為進(jìn)行電池絕熱熱失控測量的重要儀器，其核心技術(shù)指標為樣品自放熱檢測靈敏度，即識別樣品微弱放熱的能力，該指標直接決定了儀器對電池自放熱起始溫度Tonset等特征溫度點(diǎn)的測量準確性。為實(shí)現高檢測靈敏度，要求儀器具有理想的結構設計、精準測溫技術(shù)和高效控溫算法等，從而實(shí)現優(yōu)異的絕熱性能。
目前行業(yè)內缺失電池絕熱量熱儀整機計量校準規范，因此未形成統一、科學(xué)、合理的方法驗證儀器核心指標，不利于客觀(guān)評價(jià)儀器性能和規范儀器標準，絕熱性能不佳的儀器測定的數據更將直接影響相關(guān)企業(yè)進(jìn)行電池系統安全設計，對鋰電池相關(guān)行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生負面影響。
部分廠(chǎng)商和用戶(hù)利用具有經(jīng)驗數據的鋰電池作為標樣進(jìn)行儀器評價(jià)，這種方法存在一定問(wèn)題：（1）同一批次電池可能在內部結構、材料等方面存在細微差異，熱失控實(shí)驗數據的一致性無(wú)法保證，將引入額外的不確定度；（2）部分鋰電池熱失控過(guò)程劇烈，對儀器設備造成明顯污染，甚至損傷，同時(shí)對測試場(chǎng)地的要求較高。
為了解決以上問(wèn)題，本文提出一種基于焦耳熱發(fā)生技術(shù)的電池絕熱量熱儀校準方案，該方案具有可溯源、精度高、易操作、無(wú)損傷、低成本等特點(diǎn)，有望發(fā)展成為電池絕熱量熱儀的校準規范。
圖1 全尺寸電池絕熱量熱儀
方案介紹
本方案利用標準電阻塊（內置加熱管的金屬塊）作為標樣（如圖2所示），并通過(guò)程控電源程序控制加熱功率，調節電阻塊的升溫速率，從而對鋰電池熱失控溫升過(guò)程進(jìn)行等效模擬。另外，通過(guò)高壓氣瓶搭配電磁閥產(chǎn)生脈沖氣流的方式，可實(shí)現鋰電池開(kāi)閥降溫過(guò)程的模擬。
為準確模擬鋰電池的產(chǎn)熱過(guò)程，參照典型鋰電池絕熱失控實(shí)驗數據，對鋰電池熱失控升溫過(guò)程的表觀(guān)反應動(dòng)力學(xué)參數進(jìn)行擬合計算，得到電池產(chǎn)熱速率隨溫度變化的關(guān)聯(lián)方程，并結合電阻塊的質(zhì)量及比熱容，計算電源實(shí)時(shí)輸出功率，實(shí)現電池放熱過(guò)程精確模擬。
圖2 鋰電池熱失控模擬裝置示意圖
如圖2所示，將標準塊吊裝在絕熱量熱儀中，并進(jìn)行HWS模式實(shí)驗，通過(guò)對比理論特征溫度點(diǎn)與實(shí)測特征溫度點(diǎn)，以及各溫度臺階理論溫升速率與實(shí)測溫升速率，可以驗證絕熱量熱儀的測量靈敏度和準確性。
驗證結果示例
利用BAC-420A分別進(jìn)行三元和磷酸鐵鋰電芯的絕熱熱失控模擬實(shí)驗，實(shí)驗結果如圖3~圖8所示。對于三元鋰電模擬實(shí)驗，標樣的理論Tonset溫度為80.0℃（對應升溫速率為0.02℃/min），兩次實(shí)驗的Tonset檢出臺階分別為80℃和85℃，符合預期。
（2）BAC-800A驗證實(shí)驗
對具有更大量熱腔尺寸的BAC-800A分別進(jìn)行一組三元鋰電和磷酸鐵鋰的絕熱熱失控模擬實(shí)驗，實(shí)驗結果如圖9~圖12所示。三元鋰電、磷酸鐵鋰模擬實(shí)驗的Tonset檢出臺階分別為80℃、105℃，均符合預期。實(shí)驗中各臺階實(shí)測溫升速率與理論值偏差均在±0.003℃/min內。
（3）BAC-1000A驗證實(shí)驗
對大尺寸密閉型絕熱量熱儀BAC-1000A分別進(jìn)行一組三元鋰電和磷酸鐵鋰的絕熱熱失控模擬實(shí)驗，實(shí)驗結果如圖13~圖16所示。三元鋰電、磷酸鐵鋰模擬實(shí)驗的Tonset檢出臺階分別為80℃、110℃，均符合預期；實(shí)驗中各臺階實(shí)測溫升速率與理論值偏差均在±0.005℃/min內。
總結
基于本文提出的電池絕熱量熱儀校準方案，可以客觀(guān)、有效地評價(jià)電池絕熱量?jì)x的關(guān)鍵性能。同時(shí)本文的測試結果驗證了仰儀科技全尺寸大電池絕熱量熱儀的優(yōu)異性能。仰儀科技將繼續推進(jìn)相關(guān)計量檢測標準的落地，規范行業(yè)發(fā)展，以精確、可靠的數據為鋰電池行業(yè)保駕護航。
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