鋰電池檢測儀器在設(shè)計時離不開仿真軟件的模擬和分析

　　作為驅(qū)動能源革命的重要力量，鋰離子電池因自身的優(yōu)勢迅速成為了電動汽車、便攜式電子設(shè)備等的主要儲能介質(zhì)。
 

　　然而鋰電池的進一步發(fā)展仍面臨多重挑戰(zhàn)，除去基本的成本等經(jīng)濟因素外，熱安全性是鋰電池飽受詰難的問題之一。在動力電池的系統(tǒng)集成開發(fā)過程中，電池的熱管理與安全防護是其設(shè)計核心。
 

　　優(yōu)秀的鋰電池檢測儀器在設(shè)計時，離不開仿真軟件的模擬和分析，而進行精確仿真的前提條件則是能夠輸入準確的電池?zé)嵛镄詤?shù)，這其中包括電池的密度、比熱容、接觸熱阻和導(dǎo)熱系數(shù)(或熱擴散系數(shù))等。其中導(dǎo)熱系數(shù)是最重要的熱物性參數(shù)之一。
 

　　對于硬殼電池的導(dǎo)熱系數(shù)，目前業(yè)內(nèi)大多使用經(jīng)驗值或原理模型進行估計。而軟包電池導(dǎo)熱系數(shù)的測試則存在一些可行的方法，可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。
 

　　穩(wěn)態(tài)法作為一種傳統(tǒng)方法，對樣品導(dǎo)熱系數(shù)的測定結(jié)果相對準確。但是該方法對樣品尺寸要求較高、只能得到縱向?qū)嵯禂?shù)且測試時間較長。而非穩(wěn)態(tài)法測試時間短，但是測試準確性不如穩(wěn)態(tài)法。
 

　　非穩(wěn)態(tài)法主要包括熱線法、閃光法和Hot Disk法，其中熱線法和閃光法不匹配鋰電池測試的應(yīng)用場景，而Hot Disk法則已在行業(yè)內(nèi)被廣泛使用。
 

　　解決方案
 

　　為了解決Hot Disk法的諸多問題，開發(fā)了基于紅外熱像儀測溫與三維數(shù)據(jù)反演技術(shù)的3D熱物性分析儀。該設(shè)備通過柔性電熱片對軟包鋰電池底部施加脈沖激勵，在電池一側(cè)利用紅外熱像儀進行非接觸測溫，并通過數(shù)據(jù)反演計算得出電池的縱向與面向?qū)嵯禂?shù)。
 

　　此外，為了驗證TCA 3DP和Hot Disk兩種方法的準確性，我們以穩(wěn)態(tài)法的測試結(jié)果作為參標，計算這兩種方法測定的縱向?qū)嵯禂?shù)與穩(wěn)態(tài)法的相對偏差，結(jié)果如圖所示。

 

　　可以看出，TCA 3DP法測得的結(jié)果與穩(wěn)態(tài)法更為接近，相對偏差在4% ~ 11.5%之間，而Hot Disk法測得的結(jié)果與穩(wěn)態(tài)法差別較大，相對偏差在61.5% ~ 122.7%之間。因此，我們可以得出結(jié)論相比于Hot Disk法，TCA 3DP法測得的導(dǎo)熱系數(shù)更為準確。
 

　　通過上述實驗結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，Hot Disk方法測試軟包鋰離子電池導(dǎo)熱系數(shù)，除了實驗重復(fù)性相對較差外，測試結(jié)果也存在著一定的系統(tǒng)誤差。
 

　　重復(fù)性不佳可能是接觸熱阻帶來的問題。軟包鋰離子電池表面并不是理想平整的，且鋁塑膜具有一定的形變能力(如圖6a所示)，所以Hot Disk探頭與電池表面的貼合狀態(tài)受操作手法與探頭位置影響，從而導(dǎo)致了每次試驗接觸熱阻之間的差異，降低了實驗重復(fù)性。
 

　　對于TCA 3DP法，由于其熱激勵采用的是柔性電加熱膜，所以加熱源和試樣貼合較為緊密，大程度上消除了接觸熱阻的影響。
 

　　Hot Disk測試結(jié)果的系統(tǒng)誤差可能由于Hot Disk探頭集成了加熱和測溫的功能，使得加熱和測溫都在電池的同一側(cè)(如圖6b所示)，所以實驗所測得的數(shù)據(jù)只能反映試樣局部的熱物性特征，從而導(dǎo)致測試結(jié)果的偏差。