摘要

本文利用兩狀態法熱參數測試儀 TCA 2SC-080對280Ah磷酸鐵鋰方殼鋰離子電池在不同SOC下的各向異性導熱系數進行了研究。

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、壽命長等優點，在電動汽車和混合動力汽車中得到了廣泛地應用。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生的大量熱量會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致電池容量過快衰減，甚至可能觸發電池熱失控。因此，各種類型的電池熱管理系統（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，并使電池組內部的最大溫差低于5℃。值得注意的是，電池導熱系數是設計BTMS所需的一個重要熱物性參數，影響BTMS結構設計和系統控溫策略。

目前方殼電池導熱系數的測試方法主要分為間接計算和直接測量兩類。間接計算法有仿真法、熱網絡模型法等，上述方法將電池等效為較簡易可計算的模型，并根據各部件和材料的物性參數計算電池的等效導熱系數^[1]；但是間接計算法往往由于電池內部結構的復雜性、系統邊界條件變化、電池材料特性變化等因素使得計算模型的通用性和準確性差。因此，通過合適的儀器對電池導熱系數進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法熱參數測試儀 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熱系數進行測試，獲得該電池不同SOC下的面向導熱系數和縱向導熱系數等熱參數。相關結果有助于幫助研究人員驗證電池熱模型，優化電池安全設計和BTMS系統性能。

圖1 01#電池噴黑體漆(左)和安裝示意圖(右)

實驗結果

圖2 01#(左)和02#(右)電池0%SOC實驗參數反演計算誤差函數

 圖3 01#(左)和02#(右)電池25%SOC實驗參數反演計算誤差函數

圖4 01#(左)和02#(右)電池50%SOC實驗參數反演計算誤差函數

圖5 01#(左)和02#(右)電池100%SOC實驗參數反演計算誤差函數

表1 熱參數測試結果匯總

注：1．總體面向導熱等效條件為：電池升溫，底部液冷散熱；2．總體縱向導熱等效條件為：電池升溫；3．導熱系數單位為W/(m·K)，換熱系數單位為W/(m²·K)。

圖6  疊片各向異性導熱系數(左)和電芯等效導熱系數(右)隨SOC變化趨勢

根據往期的介紹，兩狀態法熱參數測試儀 TCA 2SC-080通過紅外熱像儀測溫和熱傳遞模型反演計算，可以通過一次測試計算出電芯內部疊片的面向導熱系數、縱向導熱系數、疊片和大面殼體的換熱系數以及疊片和底面(冷卻面)殼體的換熱系數這4個參數，并計算得到電芯整體的等效面向導熱系數和等效縱向導熱系數。

由表1和圖6可以看出，280Ah磷酸鐵鋰電池內部疊片的面向導熱系數范圍為22-27W/(m·K)，縱向導熱系數范圍為1.2-1.8W/(m·K)；電芯等效面向導熱系數大致為23-25W/(m·K)，等效縱向導熱系數范圍為4.6-5.2W/(m·K)。同時，在不同SOC下，磷酸鐵鋰方殼電池導熱系數無明顯趨勢性變化，該結果與相關文獻報道一致^[2]。

結論

本文利用杭州之量科技有限公司的兩狀態法熱參數測試儀 TCA 2SC-080對280Ah磷酸鐵鋰方殼鋰電池的導熱系數進行無損測試，獲得該電池不同SOC下的面向導熱系數和縱向導熱系數等熱物性參數。結果表明該款方殼磷酸鐵鋰電池的導熱系數與其SOC無顯著相關性。該結果有助于幫助研究人員驗證電池熱模型，優化電池安全設計和BTMS系統性能。

參考文獻

[1] 崔喜風,張紅亮,龔陽,等.方形硬殼鋰離子動力電池的熱物性參數[J].中國有色金屬學報,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.