鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是提升電池穩(wěn)定、安全的重要保障

　　鋰電池?zé)峁芾硐到y(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(jì)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于合理的模型，更需要準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)(導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、換熱系數(shù)等)作為輸入，導(dǎo)熱系數(shù)是其中最重要的參數(shù)之一。
 

　　由于缺乏有效測(cè)試方法與儀器，電池單體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試尚未形成通用標(biāo)準(zhǔn)。其中，軟包電池測(cè)試存在一些可行的方法，如3D熱物性分析儀、穩(wěn)態(tài)法等;
 

　　而對(duì)于結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的方形電池，在不拆解外殼的前提下仍然沒(méi)有有效測(cè)試手段，業(yè)內(nèi)大多使用經(jīng)驗(yàn)值或原理模型進(jìn)行估計(jì)。
 

　　由于在新能源車(chē)、儲(chǔ)能等領(lǐng)域，方形電池的裝機(jī)量遠(yuǎn)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(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試技術(shù)對(duì)于行業(yè)發(fā)展具有更重要的意義。
 

　　測(cè)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(dǎo)熱系數(shù)差異巨大。殼體的熱屏蔽效應(yīng)將導(dǎo)致上文提及的幾種軟包測(cè)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(shí)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。
 

　　為解決不拆解狀態(tài)方形電池?zé)釁?shù)測(cè)量的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于紅外熱像儀非接觸式測(cè)溫與非均質(zhì)傳熱模型反演的“儲(chǔ)熱-釋放”兩狀態(tài)測(cè)試方法，可通過(guò)一次實(shí)驗(yàn)同時(shí)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(duì)測(cè)試方法做簡(jiǎn)要介紹：
 

　　1、計(jì)算模型
 

　　為了在不改變電池傳熱規(guī)律的前提下簡(jiǎn)化計(jì)算，可將方形電池簡(jiǎn)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)為：
 

　　芯體導(dǎo)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;
 

　　2、測(cè)試方法
 

　　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(dǎo)熱系數(shù)與接觸熱阻，可通過(guò)觀測(cè)殼體溫度分布及動(dòng)態(tài)變化計(jì)算待測(cè)熱參數(shù)。
 

　　如圖3a所示，實(shí)驗(yàn)主要分為“儲(chǔ)熱”和“放熱”兩個(gè)階段。
 

　　(1)儲(chǔ)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(dá)到熱平衡;
 

　　(2)放熱階段：開(kāi)啟冷板內(nèi)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(shù)據(jù)輸入非均質(zhì)傳熱模型進(jìn)行反演，可計(jì)算得到方形鋰電池的4個(gè)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(píng)估條件，也可以計(jì)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。
 

　　本文簡(jiǎn)要介紹了“儲(chǔ)熱-釋放”兩狀態(tài)法在方形電池?zé)釁?shù)測(cè)試中的應(yīng)用。本方法能夠填補(bǔ)該測(cè)試領(lǐng)域的行業(yè)空白，促進(jìn)新能源汽車(chē)、儲(chǔ)能等行業(yè)鋰電池?zé)峁芾砼c安全設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。