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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

更新時(shí)間:2021-11-11  |  點(diǎn)擊率:1304
  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。
 
  由于缺乏有效測試方法與儀器,電池單體導(dǎo)熱系數(shù)測試尚未形成通用標(biāo)準(zhǔn)。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(wěn)態(tài)法等;
 
  而對于結(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有有效測試手段,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、儲能等領(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80%,因此開發(fā)方形電池導(dǎo)熱系數(shù)測試技術(shù)對于行業(yè)發(fā)展具有更重要的意義。
 
  測試原理
 
  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)行測試評估。
 
  為解決不拆解狀態(tài)方形電池?zé)釁?shù)測量的問題,開發(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。以下對測試方法做簡要介紹:
 
  1、計(jì)算模型
 
  為了在不改變電池傳熱規(guī)律的前提下簡化計(jì)算,可將方形電池簡化為金屬外殼和內(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,可通過觀測殼體溫度分布及動(dòng)態(tài)變化計(jì)算待測熱參數(shù)。
 
  如圖3a所示,實(shí)驗(yàn)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T0的恒溫環(huán)境中,直至樣品達(dá)到熱平衡;
 
  (2)放熱階段:開啟冷板內(nèi)冷卻水,使殼體冷卻面溫度從T0階躍變化為T1(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。
 
  本文簡要介紹了“儲熱-釋放”兩狀態(tài)法在方形電池?zé)釁?shù)測試中的應(yīng)用。本方法能夠填補(bǔ)該測試領(lǐng)域的行業(yè)空白,促進(jìn)新能源汽車、儲能等行業(yè)鋰電池?zé)峁芾砼c安全設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。