摘要

TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀是目前行業(yè)內(nèi)測(cè)定軟包鋰電池各向異性導(dǎo)熱系數(shù)最為有效的測(cè)試儀器。本文主要介紹針對(duì)不同類型的電芯如何設(shè)計(jì)合理的測(cè)試方案，以期獲得更準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。

一、原理回顧

3D熱物性分析儀是一款原創(chuàng)儀器，測(cè)試原理基于紅外熱像儀測(cè)溫與三維熱數(shù)據(jù)反演技術(shù)。如圖1所示。測(cè)試過(guò)程中，將柔性電熱片粘貼在軟包鋰電池底部，施加脈沖熱激勵(lì)，并使用紅外熱像儀對(duì)電池上表面進(jìn)行非接觸測(cè)溫，記錄溫度空間分布及時(shí)間演變數(shù)據(jù)。結(jié)合溫度數(shù)據(jù)和被測(cè)對(duì)象的三維熱傳遞數(shù)值模型，利用智能優(yōu)化算法進(jìn)行熱參數(shù)反演計(jì)算，能夠同時(shí)求取電池面向與縱向?qū)嵯禂?shù)（k_x、k_z），求解得到的熱參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)模型預(yù)測(cè)誤差最小化。

樣品內(nèi)部真實(shí)的傳熱路徑與數(shù)值模型的吻合程度決定了測(cè)試結(jié)果的置信度。上述指標(biāo)可以通過(guò)反演計(jì)算過(guò)程生成的誤差曲線進(jìn)行定性評(píng)估，誤差曲線呈現(xiàn)“V"字形，形狀越尖銳則代表測(cè)量結(jié)果的置信度越高，即觀測(cè)溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的偏差越“敏感"。如圖2所示，在理想條件下，加熱片釋放的熱流穿透電芯傳導(dǎo)至上表面；當(dāng)存在加熱片不適配或參數(shù)設(shè)置不合理等情況下，一方面將存在不可忽略的熱流分量沿鋁塑膜進(jìn)行傳導(dǎo)，形成樣品表面熱流環(huán)路，偏離計(jì)算模型，降低測(cè)量準(zhǔn)確性；另一方面，若觀測(cè)面的溫升幅值過(guò)小，溫度噪聲帶來(lái)的隨機(jī)誤差將導(dǎo)致測(cè)量精度下降。

圖1 TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀測(cè)試原理

左：儀器外觀；中：測(cè)試原理示意圖；右：預(yù)測(cè)誤差與誤差曲線

圖2 不同尺寸的電加熱片導(dǎo)致熱傳導(dǎo)路徑差異示意圖

根據(jù)上述測(cè)量原理，理想的熱激勵(lì)源應(yīng)具備加熱面積小和加熱功率大的特點(diǎn)，而加熱方案如加熱時(shí)長(zhǎng)和周期等參數(shù)設(shè)置需要與樣品及加熱源特性相匹配。本文選擇3個(gè)典型尺寸的樣品，重點(diǎn)介紹加熱片選型和加熱方案設(shè)計(jì)思路，結(jié)合具體的應(yīng)用實(shí)例幫助用戶獲得更有效的測(cè)試數(shù)據(jù)。

二、樣品準(zhǔn)備

如圖3，本文選擇2款儲(chǔ)能電池和1款手機(jī)電池共3種樣品進(jìn)行測(cè)試。上述樣品的尺寸具有一定的代表性，其中15Ah儲(chǔ)能電池為常規(guī)尺寸，25Ah儲(chǔ)能電池厚度較大，而3.5Ah手機(jī)電池尺寸小，需根據(jù)樣品尺寸特點(diǎn)選擇不同規(guī)格的加熱片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。具體樣品信息如表1所示。

圖3 3種電池樣品照片

表1 測(cè)試樣品信息

三、樣品測(cè)試

1.15Ah軟包電池測(cè)試

該樣品為比較典型的軟包電池尺寸之一，由于長(zhǎng)邊/厚度的比值較大(>20)，熱流能夠快速穿透電池，中心點(diǎn)升溫較快，容易在上表面產(chǎn)生明顯的溫度梯度。因此在確保足夠信噪比的前提下，可以適當(dāng)降低加熱功率或縮短加熱時(shí)間，縮小在樣品大面方向的溫度擴(kuò)散范圍，從而避免熱流環(huán)路影響。本實(shí)驗(yàn)選擇儀器標(biāo)配的加熱片，尺寸為54mm*36mm，使用加熱方案為：加熱功率8W，加熱時(shí)間30s，加熱周期1個(gè)。

上述測(cè)試方案能夠取得較理想的結(jié)果。如圖4所示，溫度預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合程度非常高，觀測(cè)面的預(yù)測(cè)誤差控制在0.12℃以內(nèi)。同時(shí)觀察圖4e和圖4f，面向和縱向?qū)嵯禂?shù)的誤差曲線均呈現(xiàn)尖銳的V字形，測(cè)試結(jié)果的置信度高。優(yōu)化計(jì)算結(jié)果為k_x=23.93 W/(m·K)，k_z=0.36 W/(m·K)。

圖4 15Ah軟包電池測(cè)試(a) 加熱片安裝方式；(b) 預(yù)測(cè)誤差空間分布圖；樣品中心點(diǎn)位置溫度時(shí)變曲線(b)仿真與(c)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比；(e)縱向與(f)面向?qū)嵯禂?shù)誤差曲線

2. 25Ah軟包電池測(cè)試

該樣品厚度大于常規(guī)電池，長(zhǎng)邊/厚度的比值僅為11.5。為了在觀測(cè)面建立足夠的溫度梯度，相較于樣品1需要更長(zhǎng)的加熱時(shí)間及更高的加熱功率，但同時(shí)容易導(dǎo)致熱流環(huán)路效應(yīng)。為解決此問(wèn)題，與標(biāo)配加熱片相比，本實(shí)驗(yàn)選用的加熱片提高了加熱功率，并減小了尺寸，其規(guī)格為29mm*23mm。使用加熱方案為：加熱功率28W，加熱時(shí)間75s，冷卻時(shí)間150s，加熱周期2個(gè)。

利用上述測(cè)試方案能夠兼顧測(cè)量準(zhǔn)確性和精度。如圖5所示，觀測(cè)面的預(yù)測(cè)誤差控制在0.2℃以內(nèi)，同時(shí)面向和縱向?qū)嵯禂?shù)的誤差曲線均反映出較高的置信度，測(cè)試結(jié)果為k_x=22.34W/(m·K)，k_z=0.57 W/(m·K)。

圖5 25Ah軟包電池測(cè)試(a)加熱片安裝方式；(b)預(yù)測(cè)誤差空間分布圖；樣品中心點(diǎn)位置溫度時(shí)變曲線(b)仿真與(c)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比；(e)縱向與(f)面向?qū)嵯禂?shù)誤差曲線

3. 3.5Ah小型軟包電池測(cè)試

由于該樣品尺寸小，長(zhǎng)邊/厚度的比值同樣僅為11.8，和樣品2的情況相仿，需選擇加熱功率大而尺寸盡可能小的加熱片。本實(shí)驗(yàn)選擇的加熱片尺寸為6mm*3mm，使用加熱方案為：加熱功率4W，加熱時(shí)間10s，加熱周期1個(gè)。

如圖6所示，利用上述測(cè)試方案，觀測(cè)面的預(yù)測(cè)誤差可控制在0.15℃以內(nèi)。由于加熱片尺寸很小，且加熱時(shí)間短，限制了大面方向的熱擴(kuò)散；同時(shí)，較高的加熱功率也確保了觀測(cè)面達(dá)到足夠的溫升幅值。因此，圖6e和6f同樣表明測(cè)試結(jié)果的置信度較高。優(yōu)化計(jì)算結(jié)果為k_x=25.91 W/(m·K)，k_z=0.91 W/(m·K)。

圖6 3.5Ah小型軟包電池測(cè)試(a)加熱片安裝方式；(b)預(yù)測(cè)誤差空間分布圖；樣品中心點(diǎn)位置溫度時(shí)變曲線(b)仿真與(c)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比；(e)縱向與(f)面向?qū)嵯禂?shù)誤差曲線

四、總結(jié)

3D熱物性分析儀能夠準(zhǔn)確、高效地分析軟包鋰電池導(dǎo)熱系數(shù)。而合理的測(cè)試方案能夠進(jìn)一步提升測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。結(jié)合用戶需求，杭州之量科技有限公司提供不同規(guī)格的加熱元件，并開(kāi)發(fā)了加熱方案智能推薦算法，可根據(jù)樣品特性自動(dòng)設(shè)置合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，顯著降低儀器操作難度，確保用戶能夠便捷使用。