按照封裝方式的不同,鋰離子電池可以分為軟包、方形、圓柱形。其中軟包鋰電池與我們的日常生活密切相關(guān),被廣泛應(yīng)用于3C電子產(chǎn)品以及新能源汽車領(lǐng)域。本文主要利用TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀測(cè)量軟包鋰電池導(dǎo)熱系數(shù),并研究
了導(dǎo)熱系數(shù)隨電池溫度的變化。結(jié)果表明,電池面向與縱向?qū)嵯禂?shù)均隨溫度窄幅上升。
為了緩解駕駛里程及快速充電的焦慮,電動(dòng)汽車電池組的能量密度不斷提升,這促使鋰離子電池單體的尺寸逐漸趨于大型化。電池尺寸的增大會(huì)加劇電池溫度分布不均勻,加速電池系統(tǒng)的壽命衰減。因此,對(duì)電池組采取有效的熱管理措施十
分重要,這就要求工程師能夠準(zhǔn)確掌握電池的熱物性參數(shù)。
在鋰電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程中,熱仿真是主要的輔助開發(fā)手段及驗(yàn)證工具。導(dǎo)熱系數(shù)是熱仿真所需的最重要熱物性參數(shù)之一,直接影響電池的散熱特性[1]。軟包電池是由鋁塑膜、正負(fù)極材料、隔膜、集流體和電解質(zhì)組成的多層復(fù)合結(jié)
構(gòu),電池面向及縱向?qū)嵯禂?shù)均是指其綜合導(dǎo)熱系數(shù)。由于電池材料熱特性和復(fù)合微結(jié)構(gòu)伴隨溫度變化,會(huì)導(dǎo)致電池綜合導(dǎo)熱系數(shù)值的溫度依賴性。因此,在電池正常工況溫度范圍內(nèi),獲取電池導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化數(shù)據(jù)對(duì)于提高熱管理仿真
的準(zhǔn)確性和有效性具有重要意義。
目前行業(yè)內(nèi)對(duì)電池導(dǎo)熱系數(shù)溫度依賴性的研究較少,主要原因是缺乏普適、可靠的分析測(cè)試手段。本文利用3D熱物性分析儀這款新型儀器對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行研究,測(cè)定得到了NCM軟包電池的縱向和面向?qū)嵯禂?shù)隨溫度變化趨勢(shì)。
實(shí)驗(yàn)部分
1.樣品準(zhǔn)備
樣品:NCM軟包鋰電池(65Ah,100%SOC)
2.實(shí)驗(yàn)條件
實(shí)驗(yàn)儀器:泰默檢測(cè)TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀、仰儀科技BIC-400A 電池等溫量熱儀
工作模式:透射模式
實(shí)驗(yàn)溫度:5℃、10℃、20℃、30℃
圖1 (a) 3D熱物性分析儀;(b) 實(shí)驗(yàn)用軟包電池樣品;(c) 3D熱物性分析儀導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)反演分析過(guò)程
3.測(cè)試過(guò)程
利用仰儀科技BIC-400A等溫量熱儀在設(shè)定溫度下測(cè)定電池比熱容,該數(shù)據(jù)作為導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試的預(yù)設(shè)參數(shù)
圖2 BIC-400A電池等溫量熱儀
隨后將電池放置于3D熱物性分析儀測(cè)試腔中央位置,填寫樣品信息、設(shè)置相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)后啟動(dòng)測(cè)試。儀器自動(dòng)控溫至預(yù)設(shè)溫度,并在電池溫度穩(wěn)定后自動(dòng)執(zhí)行電池?zé)峒?lì)、三維熱數(shù)據(jù)反演和數(shù)據(jù)校驗(yàn)等過(guò)程,隨后軟件上直接給出電池面向?qū)?/p>
熱系數(shù)kx和縱向?qū)嵯禂?shù)ky。為消除偶然誤差,每個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行4次平行實(shí)驗(yàn)。
圖3 (a) 3D熱物性分析儀電池樣品安裝示意圖;(b) 3D熱物性分析儀操作軟件界面
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
1.比熱容
如表1所示,樣品電池比熱容隨溫度逐漸升高,該結(jié)果符合常規(guī)變化規(guī)律[2]。
表1 不同溫度下樣品鋰電池比熱容測(cè)試結(jié)果
2. 導(dǎo)熱系數(shù)
實(shí)驗(yàn)測(cè)得的導(dǎo)熱系數(shù)如表2和圖4所示:
表2 不同溫度下樣品鋰電池導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果
圖4 鋰電池的(a)面向與(b)縱向?qū)嵯禂?shù)與溫度關(guān)系圖
從表2及圖4可以看出,3D熱物性分析儀測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)的重復(fù)性較好,除5℃下可能由于低溫凝露導(dǎo)致偏差稍大外,其他溫度條件下4次實(shí)驗(yàn)kx和ky的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均控制在4%以內(nèi)。同時(shí),可以發(fā)現(xiàn)樣品鋰電池縱向與面向?qū)嵯禂?shù)均隨溫度小幅
升高,該結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道相一致[3-4]。
結(jié)論
利用TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀可以便捷、高效、準(zhǔn)確地測(cè)量軟包鋰電池導(dǎo)熱系數(shù),并進(jìn)行溫度等工況影響研究,幫助研究人員優(yōu)化和完善鋰電池?zé)峁芾碓O(shè)計(jì)。