鋰電池檢測儀器在設計時(shí)離不開(kāi)仿真軟件的模擬和分析

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

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

　　優(yōu)秀的鋰電池檢測儀器在設計時(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確的電池熱物性參數，這其中包括電池的密度、比熱容、接觸熱阻和導熱系數(或熱擴散系數)等。其中導熱系數是最重要的熱物性參數之一。
 

　　對于硬殼電池的導熱系數，目前業(yè)內大多使用經(jīng)驗值或原理模型進(jìn)行估計。而軟包電池導熱系數的測試則存在一些可行的方法，可分為穩態(tài)法和非穩態(tài)法。
 

　　穩態(tài)法作為一種傳統方法，對樣品導熱系數的測定結果相對準確。但是該方法對樣品尺寸要求較高、只能得到縱向導熱系數且測試時(shí)間較長(cháng)。而非穩態(tài)法測試時(shí)間短，但是測試準確性不如穩態(tài)法。
 

　　非穩態(tài)法主要包括熱線(xiàn)法、閃光法和Hot Disk法，其中熱線(xiàn)法和閃光法不匹配鋰電池測試的應用場(chǎng)景，而Hot Disk法則已在行業(yè)內被廣泛使用。
 

　　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溫與三維數據反演技術(shù)的3D熱物性分析儀。該設備通過(guò)柔性電熱片對軟包鋰電池底部施加脈沖激勵，在電池一側利用紅外熱像儀進(jìn)行非接觸測溫，并通過(guò)數據反演計算得出電池的縱向與面向導熱系數。
 

　　此外，為了驗證TCA 3DP和Hot Disk兩種方法的準確性，我們以穩態(tài)法的測試結果作為參標，計算這兩種方法測定的縱向導熱系數與穩態(tài)法的相對偏差，結果如圖所示。

 

　　可以看出，TCA 3DP法測得的結果與穩態(tài)法更為接近，相對偏差在4% ~ 11.5%之間，而Hot Disk法測得的結果與穩態(tài)法差別較大，相對偏差在61.5% ~ 122.7%之間。因此，我們可以得出結論相比于Hot Disk法，TCA 3DP法測得的導熱系數更為準確。
 

　　通過(guò)上述實(shí)驗結果的對比發(fā)現，Hot Disk方法測試軟包鋰離子電池導熱系數，除了實(shí)驗重復性相對較差外，測試結果也存在著(zhù)一定的系統誤差。
 

　　重復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，從而導致了每次試驗接觸熱阻之間的差異，降低了實(shí)驗重復性。
 

　　對于TCA 3DP法，由于其熱激勵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測試結果的系統誤差可能由于Hot Disk探頭集成了加熱和測溫的功能，使得加熱和測溫都在電池的同一側(如圖6b所示)，所以實(shí)驗所測得的數據只能反映試樣局部的熱物性特征，從而導致測試結果的偏差。