摘要

本文利用兩狀態(tài)法熱參數(shù)測試儀 TCA 2SC-080對280Ah磷酸鐵鋰方殼鋰離子電池在不同SOC下的各向異性導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了研究。

前言

鋰離子電池作為一種可充電電源，具有功率密度高、自放電率低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車中得到了廣泛地應(yīng)用。然而，鋰離子電池也有其局限性，比如電池在充放電過程中產(chǎn)生的大量熱量會(huì)使電池溫度顯著升高，特別是在高充放電倍率和高使用溫度的情況下可能導(dǎo)致電池容量過快衰減，甚至可能觸發(fā)電池熱失控。因此，各種類型的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）已被深入研究，控制電池保持在25℃至40℃的最佳工作溫度范圍內(nèi)，并使電池組內(nèi)部的最大溫差低于5℃。值得注意的是，電池導(dǎo)熱系數(shù)是設(shè)計(jì)BTMS所需的一個(gè)重要熱物性參數(shù)，影響BTMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控溫策略。

目前方殼電池導(dǎo)熱系數(shù)的測試方法主要分為間接計(jì)算和直接測量兩類。間接計(jì)算法有仿真法、熱網(wǎng)絡(luò)模型法等，上述方法將電池等效為較簡易可計(jì)算的模型，并根據(jù)各部件和材料的物性參數(shù)計(jì)算電池的等效導(dǎo)熱系數(shù)^[1]；但是間接計(jì)算法往往由于電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、系統(tǒng)邊界條件變化、電池材料特性變化等因素使得計(jì)算模型的通用性和準(zhǔn)確性差。因此，通過合適的儀器對電池導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測試是更為直接和有效的方法。

本文介紹杭州之量科技有限公司的兩狀態(tài)法熱參數(shù)測試儀 TCA 2SC-080在不破壞電池的情況下(如圖1)對280Ah磷酸鐵鋰方殼鋰電池的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測試，獲得該電池不同SOC下的面向?qū)嵯禂?shù)和縱向?qū)嵯禂?shù)等熱參數(shù)。相關(guān)結(jié)果有助于幫助研究人員驗(yàn)證電池?zé)崮Ｐ停瑑?yōu)化電池安全設(shè)計(jì)和BTMS系統(tǒng)性能。

圖1 01#電池噴黑體漆(左)和安裝示意圖(右)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 01#(左)和02#(右)電池0%SOC實(shí)驗(yàn)參數(shù)反演計(jì)算誤差函數(shù)

 圖3 01#(左)和02#(右)電池25%SOC實(shí)驗(yàn)參數(shù)反演計(jì)算誤差函數(shù)

圖4 01#(左)和02#(右)電池50%SOC實(shí)驗(yàn)參數(shù)反演計(jì)算誤差函數(shù)

圖5 01#(左)和02#(右)電池100%SOC實(shí)驗(yàn)參數(shù)反演計(jì)算誤差函數(shù)

表1 熱參數(shù)測試結(jié)果匯總

注：1．總體面向?qū)岬刃l件為：電池升溫，底部液冷散熱；2．總體縱向?qū)岬刃l件為：電池升溫；3．導(dǎo)熱系數(shù)單位為W/(m·K)，換熱系數(shù)單位為W/(m²·K)。

圖6  疊片各向異性導(dǎo)熱系數(shù)(左)和電芯等效導(dǎo)熱系數(shù)(右)隨SOC變化趨勢

根據(jù)往期的介紹，兩狀態(tài)法熱參數(shù)測試儀 TCA 2SC-080通過紅外熱像儀測溫和熱傳遞模型反演計(jì)算，可以通過一次測試計(jì)算出電芯內(nèi)部疊片的面向?qū)嵯禂?shù)、縱向?qū)嵯禂?shù)、疊片和大面殼體的換熱系數(shù)以及疊片和底面(冷卻面)殼體的換熱系數(shù)這4個(gè)參數(shù)，并計(jì)算得到電芯整體的等效面向?qū)嵯禂?shù)和等效縱向?qū)嵯禂?shù)。

由表1和圖6可以看出，280Ah磷酸鐵鋰電池內(nèi)部疊片的面向?qū)嵯禂?shù)范圍為22-27W/(m·K)，縱向?qū)嵯禂?shù)范圍為1.2-1.8W/(m·K)；電芯等效面向?qū)嵯禂?shù)大致為23-25W/(m·K)，等效縱向?qū)嵯禂?shù)范圍為4.6-5.2W/(m·K)。同時(shí)，在不同SOC下，磷酸鐵鋰方殼電池導(dǎo)熱系數(shù)無明顯趨勢性變化，該結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道一致^[2]。

結(jié)論

本文利用杭州之量科技有限公司的兩狀態(tài)法熱參數(shù)測試儀 TCA 2SC-080對280Ah磷酸鐵鋰方殼鋰電池的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行無損測試，獲得該電池不同SOC下的面向?qū)嵯禂?shù)和縱向?qū)嵯禂?shù)等熱物性參數(shù)。結(jié)果表明該款方殼磷酸鐵鋰電池的導(dǎo)熱系數(shù)與其SOC無顯著相關(guān)性。該結(jié)果有助于幫助研究人員驗(yàn)證電池?zé)崮Ｐ停瑑?yōu)化電池安全設(shè)計(jì)和BTMS系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 崔喜風(fēng),張紅亮,龔陽,等.方形硬殼鋰離子動(dòng)力電池的熱物性參數(shù)[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2019,29(12):2747-2756.DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2019.12.07

[2] Kovachev G, Astner A, Gstrein G, et al. Thermal conductivity in aged Li-ion cells under various compression conditions and state-of-charge[J]. Batteries, 2021, 7(3): 42.