Оригинальная методика термофизического анализа для испытания теплопроводности аккумуляторов с мягкой упаковкой

Введение в теорию – Методика термофизического анализа

Будучи важной движущей силой энергетической революции, литий-ионные аккумуляторы быстро стали основным средством хранения энергии для электромобилей, портативных электронных устройств и многого другого благодаря своим уникальным преимуществам. Однако дальнейшее развитие литиевых аккумуляторов сталкивается с различными проблемами, среди которых одним из наиболее важных является тепловая безопасность.

В процессе разработки систем аккумуляторных батарей управление температурой и защита батарей являются основой их конструкции. Отличные системы управления температурой опираются на программное обеспечение для моделирования для анализа, которое, в свою очередь, требует точного ввода тепловых свойств батареи. свойства включают плотность, удельную теплоемкость, контактное тепловое сопротивление и теплопроводность — последнее является одним из наиболее важных тепловых свойств. Для теплопроводности батарей с твердой оболочкой промышленность в основном полагается на эмпирические значения или теоретические модели для оценки. Однако для батарей с мягкой упаковкой существуют возможные методы тестирования теплопроводности, которые можно разделить на методы стационарного и переходного состояния.

Метод стационарного состояния, как традиционный подход, обеспечивает относительно точные результаты определения теплопроводности образцов. Однако этот метод имеет строгие требования к размеру образца, может получить только продольную теплопроводность и требует более длительного времени тестирования. С другой стороны, методы переходного состояния предлагают более короткое время тестирования, но менее точны, чем метод стационарного состояния. Методы переходного состояния в основном включают метод горячей проволоки, метод вспышки и метод горячего диска, причем последний широко используется в промышленности.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки для метода стационарного состояния и схема экспериментального испытания для метода горячего диска

Однако, согласно отзывам отраслевых специалистов, метод определения теплопроводности с помощью горячего диска страдает от таких проблем, как плохая экспериментальная повторяемость и неточные результаты испытаний, что ограничивает точность и управляемость имитационных моделей.

Решение — Оригинальная методика термофизического анализа

Для решения различных проблем, связанных с методом горячего диска, компания Zeal Instruments разработала 3D-анализатор тепловых свойств (TCA 3DP-160), основанный на инфракрасной тепловизионной технологии и трехмерной инверсии данных, как показано на рисунке 2.

Рис. 2. Принципиальная схема трехмерного анализатора теплофизических свойств TCA 3DP-160 и принцип его работы

Устройство применяет импульсное возбуждение к нижней части литиевых батарей в мягкой упаковке с помощью гибких нагревательных элементов. Бесконтактное измерение температуры выполняется на одной стороне батареи с помощью инфракрасного тепловизора, а продольная и поперечная теплопроводность батареи рассчитывается путем инверсии данных.

Экспериментальная секция

Подготовка образца

Четыре мягкие литиевые батареи разных размеров и ёмкостей были приобретены и заряжены до 100% SOC. Они были промаркированы следующим образом: 1#, 2#, 3# и 4#.

Процедура тестирования

Теплопроводность образцов измерялась с помощью 3D Thermal Properties Analyzer (TCA 3DP-160) и анализатора теплопроводности Hot Disk (именуемых соответственно методом TCA 3DP и методом Hot Disk). Каждый образец измерялся шесть раз. Для сравнения и проверки точности результатов, полученных методом TCA 3DP и методом Hot Disk, продольная теплопроводность образцов измерялась дважды с использованием стационарного метода.

Экспериментальные результаты

Результаты, полученные методом TCA 3DP и методом Hot Disk для поперечной и продольной теплопроводности, показаны на рисунке 3. Можно заметить, что изменчивость данных, полученных методом TCA 3DP, относительно мала, с относительным стандартным отклонением, в основном контролируемым в пределах 3%, что указывает на хорошую экспериментальную повторяемость. Напротив, изменчивость данных, полученных методом Hot Disk, больше, с относительным стандартным отклонением до 10,2% для поперечной теплопроводности и 14,1% для продольной теплопроводности, что намного выше, чем у метода TCA 3DP.

Рис. 3 Относительное стандартное отклонение ориентированной (а) и продольной (б) теплопроводности, измеренной методом TCA 3DP и методом горячего диска, и результаты их 6 повторных экспериментов

Эти результаты показывают, что метод TCA 3DP демонстрирует гораздо лучшую экспериментальную повторяемость, чем метод Hot Disk. Более того, для проверки точности методов TCA 3DP и Hot Disk были рассчитаны относительные отклонения продольной теплопроводности, измеренной этими двумя методами, от стационарного метода, как показано на рисунке 4.

Рис. 4 Продольная теплопроводность, измеренная методом стационарного состояния, методом TCA 3DP и методом горячего диска, и их относительные отклонения друг от друга

Видно, что результаты, полученные методом TCA 3DP, ближе к результатам стационарного метода, с относительными отклонениями в диапазоне от 4% до 11,5%, в то время как результаты, полученные методом Hot Disk, значительно отличаются от стационарного метода, с относительными отклонениями в диапазоне от 61,5% до 122,7%.

Таким образом, по сравнению с методом Hot Disk, метод TCA 3DP обеспечивает более точные результаты измерения теплопроводности.

Рис. 5. Принципиальная схема контактного теплового сопротивления (а) и проблема отражения только локальных характеристик образца (б) при испытании методом горячего диска

Заключение

Использование метода TCA 3DP в 3D Thermal Properties Analyzer (TCA 3DP-160) Original Thermophysical Analysis Technique позволяет проводить точное, эффективное и удобное измерение поперечной и продольной теплопроводности литиевых батарей в мягкой упаковке. Эта технология может обеспечить надежную поддержку базовых данных о тепловых свойствах для управления температурой батареи и проектирования безопасности в процессе разработки силовых батарей.

Ссылка

[1] XI Tonggeng, XIE Huaqing. Состояние исследований и тенденции развития технологии испытаний теплофизических свойств [J]. Шанхайский центр измерений и испытаний. 2002, 29, 7-12.

[2] Базински С.Дж. и др. Экспериментальное исследование влияния температуры и состояния заряда на теплофизические свойства ячейки LFP [J]. Журнал источников питания, 2015, 293, 283-291.

[3] Юй Кай-кэ, Тянь Юй-пэн, ВАН Пин, ИНЬ Сян-цзе, ЦЗЯ Син-вэй, ДОНГ Ши-юнь. Измерение направленной температуропроводности в плоскости с использованием импульсной вихретоковой термографии [J]. Acta Metrologica Sinica, 2019, 40(6):1030-1036.