Точные стратегии измерения для тестирования теплопроводности литий-ионных аккумуляторов в пакетах

Введение – литий-ионные аккумуляторы Pouch

3D Thermal Properties Analyzer (TCA 3DP-160) стал передовым инструментом в области оценки анизотропной теплопроводности литий-ионных аккумуляторов в мягкой упаковке. В этой статье рассматриваются тонкости разработки рациональных методик тестирования, адаптированных к различным типам аккумуляторов, для достижения более точных результатов тестирования.

Обзор принципа действия — литий-ионные аккумуляторы Pouch

3D Thermal Properties Analyzer (TCA 3DP-160), новаторское устройство, работает на принципах инфракрасной термографии в сочетании с трехмерными методами инверсии тепловых данных. Во время тестирования гибкие электронагревательные листы прикрепляются к нижней части литий-ионных аккумуляторов в мягкой упаковке и подвергаются импульсному тепловому воздействию, в то время как инфракрасная термография фиксирует температуру поверхности неинвазивным способом, регистрируя пространственное распределение температуры и данные о временной эволюции. Интегрируя температурные данные с трехмерной числовой моделью теплопередачи тестируемого объекта, интеллектуальные алгоритмы оптимизации выполняют расчеты инверсии тепловых параметров, одновременно определяя поперечную и продольную теплопроводности аккумулятора (kx, kz). Полученные тепловые параметры минимизируют ошибки прогнозирования модели, повышая точность тестирования.

Соответствие между фактическими путями теплопередачи в образце и численной моделью определяет уровень достоверности результатов испытаний. Качественная оценка этих показателей может быть достигнута с помощью кривых ошибок, полученных в процессе расчета инверсии. Кривая ошибок имеет форму буквы «V», причем более острые формы указывают на более высокую достоверность результатов измерений, т. е. большую чувствительность наблюдаемых температур к отклонениям теплопроводности. В идеальных условиях, как показано на рисунке 2, тепловой поток, выделяемый нагревательным элементом, проникает в ядро ​​батареи и проводит к верхней поверхности. Однако несоответствия в адаптации нагревательного элемента или неправильные настройки параметров могут привести к значительной проводимости теплового потока вдоль алюминиево-пластиковой пленки, что отклоняется от модели расчета и ставит под угрозу точность измерений. Кроме того, недостаточное повышение температуры на поверхности наблюдения может снизить точность измерений из-за случайных ошибок, вызванных температурным шумом.

Рисунок 1. Принцип испытания трехмерного анализатора тепловых свойств TCA 3DP-160

Рис. 2 Различия в путях теплопередачи из-за разных размеров электрогрелок

Согласно вышеуказанному принципу измерения, идеальный источник теплового возбуждения должен характеризоваться малой площадью нагрева и большой мощностью нагрева, в то время как схема нагрева, такая как продолжительность и период нагрева, а также другие параметры должны соответствовать характеристикам образца и источника нагрева. В этой статье мы выбираем три образца типичного размера, фокусируемся на выборе грелок и идеях проектирования программ нагрева в сочетании с конкретными примерами применения, чтобы помочь пользователям получить более эффективные данные испытаний.

Подготовка образцов – литий-ионные аккумуляторы в мешочке

Для этого исследования были выбраны три репрезентативных образца, включающие две батареи для хранения энергии и одну батарею мобильного телефона. Эти образцы имеют различные размеры, что требует различных спецификаций нагревательных элементов для экспериментов. Характеристики образцов приведены в Таблице 1.

Рисунок 3 Фотографии 3 образцов аккумуляторов

Таблица 1. Информация об образце теста

Тестирование образцов

Тестирование литиевых аккумуляторов в мягкой упаковке емкостью 15 А·ч

Литиевая батарея Soft-pack емкостью 15 А·ч, характеризующаяся относительно высоким соотношением сторон (>20), способствует быстрому проникновению тепла, что приводит к выраженному градиенту температуры на поверхности. Таким образом, можно уменьшить мощность нагрева или сократить время нагрева, обеспечивая при этом достаточное отношение сигнал/шум для смягчения влияния контуров теплового потока. В эксперименте использовался стандартный нагревательный элемент с размерами 54 мм × 36 мм, с мощностью нагрева 8 Вт, временем нагрева 30 с и одним циклом нагрева. Схема тестирования дала оптимальные результаты, как показано на рисунке 4, с ошибкой прогнозирования температуры в пределах 0,12 °C и острыми V-образными кривыми погрешности, указывающими на высокую достоверность результатов. Оптимизированные тепловые параметры были определены как kx = 23,93 Вт/(м·К) и kz = 0,36 Вт/(м·К).

 Рисунок 4. Мягкая литиевая батарея емкостью 15 А·ч (a) метод установки нагревательной пластины; (b) диаграмма пространственного распределения ошибки прогнозирования; кривая изменения температуры во времени положения центральной точки образца; (b) сравнение между результатами моделирования и (c) измерения; (e) продольная и (f) ориентированная кривая ошибки теплопроводности.

Тестирование литиевых аккумуляторов в мягкой упаковке емкостью 25 А·ч

Аккумулятор емкостью 25 А·ч, характеризующийся большей толщиной, требует более длительного времени нагрева и более высокой мощности нагрева для установления адекватных градиентов температуры на поверхности наблюдения. Однако это может привести к эффектам контура теплового потока. Для решения этой проблемы был использован нагревательный элемент с повышенной мощностью и уменьшенными размерами (29 мм × 23 мм) с мощностью нагрева 28 Вт, временем нагрева 75 с, временем охлаждения 150 с и двумя циклами нагрева. Схема тестирования обеспечивала как точность измерений, так и достоверность с ошибкой прогнозирования температуры в пределах 0,2 °C и высокой достоверностью тепловых параметров (kx = 22,34 Вт/(м·К), kz = 0,57 Вт/(м·К)).

Рисунок 5. Мягкая литиевая батарея емкостью 25 А·ч (a) метод установки нагревательной пластины; (b) диаграмма пространственного распределения ошибки прогнозирования; кривая изменения температуры во времени положения центральной точки образца; (b) сравнение между результатами моделирования и (c) измерения; (e) продольная и (f) ориентированная кривая ошибки теплопроводности.

Тестирование малогабаритной мягкой литиевой батареи емкостью 3,5 А·ч

Аналогично, малогабаритная батарея 3,5 А·ч требует нагревательного элемента с высокой мощностью и минимальными размерами для достижения оптимальных условий тестирования. Был использован нагревательный элемент с размерами 6 мм × 3 мм, с мощностью нагрева 4 Вт, временем нагрева 10 с и одним циклом нагрева. Схема тестирования поддерживала ошибки прогнозирования ниже 0,15 °C с высокой уверенностью в тепловых параметрах (kx = 25,91 Вт/(м·К), kz = 0,91 Вт/(м·К)).

Рисунок 6. Тест мягкой литиевой батареи емкостью 3,5 А·ч (a) метод установки нагревательной пластины; (b) диаграмма пространственного распределения ошибки прогнозирования; кривая изменения температуры во времени в центральной точке образца; (b) сравнение результатов моделирования и (c) измерений; (e) кривая продольной ошибки теплопроводности с (f)

Заключение

3D Thermal Properties Analyzer (TCA 3DP-160) обеспечивает точный и эффективный анализ теплопроводности литий-ионных аккумуляторов в мягкой упаковке. Рациональные методики тестирования еще больше повышают точность и достоверность результатов испытаний. Zeal Instruments поставляет нагревательные элементы с различными спецификациями и разработала интеллектуальные алгоритмы рекомендаций по схемам нагрева для автоматической установки разумных экспериментальных параметров на основе характеристик образца, что значительно снижает сложность эксплуатации и обеспечивает удобство для пользователя.