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锂电池热管理参数测试方案精准测量导热系数、比热容、充放电产热

时间: 2023-08-16 16:16:54 |   作者: 温室气体分析仪

锂电池作为主流储能电源,拥有单位体积内的包含的能量高、寿命长等优点,并大范围的应用在消费电子、新

产品特性

  锂电池作为主流储能电源,拥有单位体积内的包含的能量高、寿命长等优点,并大范围的应用在消费电子、新能源、储能等领域。但在长期高温环境下,锂电池可能会面临热失控、

  锂电池热管理系统是提升电池稳定性、安全性和有效使用生命周期的重要保障,其设计与优化不能离开热仿真分析技术。之量科技的锂电池热管理参数测试方案(导热系数、比热容、充放电产热),通过准确测定热仿真所需的基础参数,为热仿真设计、Pack热失控扩散机制研究、电芯模组测试等提供关键数据支持。

  导热系数作为热仿真所需的重要热物性参数之一,准确性直接影响了锂电池的散热特性。

  作为多层复合结构的软包电池,在测定面向导热系数、纵向导热系数来获取综合导热系数的过程中,需要综合评估电池材料热特性、复合微结构、温度变化等复杂因素的影响,这是业内任旧存在的技术难题。

  基于红外热像仪测温与三维数据反演技术而研发的3D热物性分析仪 TCA 3DP-160,通过柔性电热片对软包锂电池底部施加脉冲激励,在电池一侧利用红外热像仪进行非接触测温,并通过数据反演计算可得出电池的纵向与面向导热系数,适合各种不一样的规格、表面硬度、粗糙度、孔隙率的均质或非均质样品,为软包电池的热仿真设计提供更全面的热物性数据参考。

  我们分别用TCA 3DP和Hot Disk法对试样导热系数做测量,每个样品(4种尺寸和容量各不相同的软包锂电池)重复测量6次。结果如下图所示,TCA 3DP测得的面向和纵向导热系数的相对标准差均小于3%,具备极高的重复性。

  同时,为了对比和检验TCA 3DP和Hot Disk法所测结果的准确性,我们利用稳态法对试样的纵向导热系数做测量,每个样品测试2次。结果如下图所示,TCA 3DP测得的结果与稳态法更为接近,相对偏差在4%~11.5%之间,而Hot Disk方法测得的结果与稳态法差别较大,相对偏差在61.5%~122.7%之间。

  目前,在新能源车、储能等领域,硬壳电池的装机量占比高达80%,但是由于其结构较为复杂,在不拆解外壳的前提,业内大多使用经验值或原理模型估计硬壳电池的导热系数,尚未形成通用标准。因此,硬壳电池导热系数测试技术的突破,对于锂电池行业的发展更具重要意义。

  两状态法热参数分析仪 TCA 2SC-080,基于红外热像仪非接触式测温与非均质传热模型反演的“储热-释放”两状态测试方法而研发,可通过一次实验同时得到卷芯纵向与面向导热系数,以及卷芯与壳体间的接触热阻,适用于检测非均质核壳结构样品,填补了该测试领域的行业空白。

  (1)储热阶段:将电池放置于温度为T0的恒温环境中,直至样品达到热平衡;

  (2)放热阶段:开启冷板内冷却水,使壳体冷却面温度从T0阶跃变化为T1(T1T0), 同时利用红外热像仪记录电池外壳最大面温度场演变过程(如图b)。

  将热像仪记录的空间与时间分布的温度数据输入非均质传热模型进行反演,可计算得到硬壳电池的芯体面向导热系数、芯体纵向导热系数、芯体和壳体(大面)换热系数、芯体和壳体(冷却面)换热系数这四个热参数。另外,利用上述参数,并基于仿真结果设定均质模型等效评估条件,也可以计算得到硬壳电池等效面向导热系数与等效纵向导热系数。

  大型电池绝热量热仪 BAC-420A,通过程序升温等热滥用方式诱发电池热失控,还能够直接进行过充、过放、外部短接等电滥用以及针刺、挤压等机械滥用实验并测定热失控有关数据,同时内置摄像头,支持更直观地观察实验现象。

  该仪器分为比热容恒功率模式与比热容恒速率模式,利用差式功率补偿原理,可测定电池比热容的数据,根据电池充放电过程的气温变化范围,测定该温区内的平均比热容,用于计算电池放热量,测试结果如图所示。

  与此同时,利用充放电产热测量模式,对充放电过程中电池温度变化进行绝热追踪,得到绝热温升曲线。

  通过对曲线进行数学处理,并结合比热容的数据,即可准确测定电池充放电产热功率和产热量。本案例中,NCM三元软包电池(61Ah)在0.2C的充电倍率下,电池绝热温升为18.29℃,总放热量达到12.78kJ,最大放热功率约为3.3W。

  电池等温量热仪 BIC-400A,基于功率补偿等温量热原理而研发,能准确测量电池充放电过程中的吸放热功率、吸放热总量、最大放热功率等热特性参数,具有小于0.1mW的基线噪声,检验测试灵敏度高,适用于各类型和不一样的尺寸及容量的电池。

  如图所示,在充电过程,所有电池在达到截止电压后由于电流逐渐减小,放热量迅速下降。而电池放电过程由于内阻不断增大导致放热量呈现单调上涨的趋势。另外,适宜的工作时候的温度可以降低充放电产热量,并提高可逆热的占比。在电池充电过程可以观察到明显的吸热峰。

  除了锂电池热管理参数测试,之量科技还提供锂电池单体热失控测试、产气成分在线分析、产气爆炸特性测试等解决方案,专业助力客户深入剖析电池正常运行或发生热失控状态下的热特性参数,实现锂电池安全管理与性能提升。


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