鋰電池檢測(cè)儀器在設(shè)計(jì)時(shí)離不開(kāi)仿真軟件的模擬和分析

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

　　然而鋰電池的進(jìn)一步發(fā)展仍面臨多重挑戰(zhàn)，除去基本的成本等經(jīng)濟(jì)因素外，熱安全性是鋰電池飽受詰難的問(wèn)題之一。在動(dòng)力電池的系統(tǒng)集成開(kāi)發(fā)過(guò)程中，電池的熱管理與安全防護(hù)是其設(shè)計(jì)核心。
 

　　優(yōu)秀的鋰電池檢測(cè)儀器在設(shè)計(jì)時(shí)，離不開(kāi)仿真軟件的模擬和分析，而進(jìn)行精確仿真的前提條件則是能夠輸入準(zhǔn)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(kuò)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(duì)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(yàn)值或原理模型進(jìn)行估計(jì)。而軟包電池導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)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(duì)樣品導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確。但是該方法對(duì)樣品尺寸要求較高、只能得到縱向?qū)嵯禂?shù)且測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。而非穩(wěn)態(tài)法測(cè)試時(shí)間短，但是測(cè)試準(zhǔn)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(cè)試的應(yīng)用場(chǎng)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(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于紅外熱像儀測(cè)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(guò)柔性電熱片對(duì)軟包鋰電池底部施加脈沖激勵(lì)，在電池一側(cè)利用紅外熱像儀進(jìn)行非接觸測(cè)溫，并通過(guò)數(shù)據(jù)反演計(jì)算得出電池的縱向與面向?qū)嵯禂?shù)。
 

　　此外，為了驗(yàn)證TCA 3DP和Hot Disk兩種方法的準(zhǔn)確性，我們以穩(wěn)態(tài)法的測(cè)試結(jié)果作為參標(biāo)，計(jì)算這兩種方法測(cè)定的縱向?qū)嵯禂?shù)與穩(wěn)態(tài)法的相對(duì)偏差，結(jié)果如圖所示。

 

　　可以看出，TCA 3DP法測(cè)得的結(jié)果與穩(wěn)態(tài)法更為接近，相對(duì)偏差在4% ~ 11.5%之間，而Hot Disk法測(cè)得的結(jié)果與穩(wěn)態(tài)法差別較大，相對(duì)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(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)更為準(zhǔn)確。
 

　　通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Hot Disk方法測(cè)試軟包鋰離子電池導(dǎo)熱系數(shù)，除了實(shí)驗(yàn)重復(fù)性相對(duì)較差外，測(cè)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(lái)的問(wèn)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(yàn)接觸熱阻之間的差異，降低了實(shí)驗(yàn)重復(fù)性。
 

　　對(duì)于TCA 3DP法，由于其熱激勵(lì)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(cè)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(cè)溫的功能，使得加熱和測(cè)溫都在電池的同一側(cè)(如圖6b所示)，所以實(shí)驗(yàn)所測(cè)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(cè)試結(jié)果的偏差。