鋰電池熱管理系統(tǒng)是提升電池穩(wěn)定、安全的重要保障

　　鋰電池熱管理系統(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。熱管理設計與優(yōu)化離不開熱仿真分析技術，而熱仿真的可靠性不僅依賴于合理的模型，更需要準確的熱物性參數(shù)(導熱系數(shù)、比熱容、換熱系數(shù)等)作為輸入，導熱系數(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，電池單體導熱系數(shù)測試尚未形成通用標準。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;
 

　　而對于結構更復雜的方形電池，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)驗值或原理模型進行估計。
 

　　由于在新能源車、儲能等領域，方形電池的裝機量遠超軟包和圓柱電池，占比超過80%，因此開發(fā)方形電池導熱系數(shù)測試技術對于行業(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構的非均質(zhì)樣品。一方面，內(nèi)部卷芯與外部鋁殼之間的導熱系數(shù)差異巨大。殼體的熱屏蔽效應將導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鍵參數(shù)，需同時進行測試評估。
 

　　為解決不拆解狀態(tài)方形電池熱參數(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，可通過一次實驗同時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、計算模型
 

　　為了在不改變電池傳熱規(guī)律的前提下簡化計算，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)模型的四個關鍵參數(shù)為：
 

　　芯體導熱系數(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熱系數(shù)與接觸熱阻，可通過觀測殼體溫度分布及動態(tài)變化計算待測熱參數(shù)。
 

　　如圖3a所示，實驗主要分為“儲熱”和“放熱”兩個階段。
 

　　(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間分布的溫度數(shù)據(jù)輸入非均質(zhì)傳熱模型進行反演，可計算得到方形鋰電池的4個熱參數(shù)(kin、kcr、htcx、htcz)。
 

　　另外，利用上述參數(shù)，并基于仿真結果設定均質(zhì)模型等效評估條件，也可以計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)法在方形電池熱參數(shù)測試中的應用。本方法能夠填補該測試領域的行業(yè)空白，促進新能源汽車、儲能等行業(yè)鋰電池熱管理與安全設計技術的發(fā)展。