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鋰電池熱管理系統是提升電池穩定、安全的重要保障

更新時間:2021-11-11  |  點擊率:876
  鋰電池熱管理系統是提升電池穩定性、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(導熱系數、比熱容、換熱系數等)作為輸入,導熱系數是其中最重要的參數之一。
 
  由于缺乏有效測試方法與儀器,電池單體導熱系數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、穩態法等;
 
  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,業內大多使用經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%,因此開發方形電池導熱系數測試技術對于行業發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樣品。一方面,內部卷芯與外部鋁殼之間的導熱系數差異巨大。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,需同時進行測試評估。
 
  為解決不拆解狀態方形電池熱參數測量的問題,開發了基于紅外熱像儀非接觸式測溫與非均質傳熱模型反演的“儲熱-釋放”兩狀態測試方法,可通過一次實驗同時得到卷芯縱向與面向導熱系數,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律的前提下簡化計算,可將方形電池簡化為金屬外殼和內部芯片兩部分組成的非均質等效模型。其中芯體熱特性為正交各向異性;殼體為均質,且已知其熱物性參數。
 
  該非均質模型的四個關鍵參數為:
 
  芯體導熱系數:面向導熱系數kin、縱向導熱系數kcr;
 
  接觸面換熱系數:芯體和殼體(大面)換熱系數hxy、芯體與殼體(冷卻面)換熱系數hyz;
 
  2、測試方法
 
  核心思想:模擬電池工作時電芯自發熱,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與接觸熱阻,可通過觀測殼體溫度分布及動態變化計算待測熱參數。
 
  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的恒溫環境中,直至樣品達到熱平衡;
 
  (2)放熱階段:開啟冷板內冷卻水,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據輸入非均質傳熱模型進行反演,可計算得到方形鋰電池的4個熱參數(kin、kcr、htcx、htcz)。
 
  另外,利用上述參數,并基于仿真結果設定均質模型等效評估條件,也可以計算得到方形電池等效面向導熱系數kin-uni與等效縱向導熱系數kcr-uni。
 
  本文簡要介紹了“儲熱-釋放”兩狀態法在方形電池熱參數測試中的應用。本方法能夠填補該測試領域的行業空白,促進新能源汽車、儲能等行業鋰電池熱管理與安全設計技術的發展。
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