Двухпозиционный тестер тепловых параметров, применяемый для испытания теплопроводности квадратных литиевых батарей

Введение – Двухрежимный тестер тепловых параметров

В области термического управления литий-ионными аккумуляторами двухпозиционный тестер тепловых параметров становится революционным методом, особенно удовлетворяющим потребности в тестировании квадратных литиевых аккумуляторов. В этой статье рассматривается применение этого инновационного подхода, призванного устранить отраслевой разрыв в тестировании теплопроводности и способствовать прогрессу в технологиях термического управления и проектирования безопасности в различных секторах, включая электромобили, накопители энергии, бытовую электронику и аэрокосмическую промышленность.

Фон

Системы терморегулирования литий-ионных аккумуляторов играют ключевую роль в повышении стабильности, безопасности и общего срока службы аккумуляторов. Эффективное проектирование и оптимизация терморегулирования в значительной степени опираются на методы анализа термического моделирования, требующие точных параметров тепловых свойств, таких как теплопроводность, удельная теплоемкость и коэффициенты теплопередачи. Среди этих параметров теплопроводность выделяется как один из самых важных.

Несмотря на наличие жизнеспособных методов тестирования аккумуляторов в пакетах, таких как 3D-анализаторы тепловых свойств и стационарные подходы, все еще не хватает эффективных методов тестирования квадратных аккумуляторов без разборки их корпусов. Следовательно, отрасль часто прибегает к эмпирическим значениям или теоретическим моделям для оценки, особенно для аккумуляторов со сложной структурой, таких как квадратные модули.

Учитывая, что квадратные батареи доминируют в установках в таких отраслях, как электромобили и накопители энергии, составляя более 80% установок, разработка технологий тестирования теплопроводности квадратных батарей имеет первостепенное значение для развития отрасли.

Рис. 1 Моделирование CFD процесса изменения температуры квадратного модуля ячейки (упрощенно)

Принцип тестирования

Квадратные батареи демонстрируют типичную структуру ядро-оболочка, демонстрирующую неоднородные свойства. Значительная разница в теплопроводности между внутренним ядром и внешней оболочкой в ​​сочетании с теплозащитным эффектом оболочки делает обычные методы испытаний неэффективными. Кроме того, контактное тепловое сопротивление между ядром и оболочкой играет решающую роль в теплопередаче и требует одновременной оценки.

Для решения задачи измерения тепловых параметров без разборки квадратных батарей компания Zeal Instruments разработала метод двухуровневого тестирования, основанный на бесконтактном измерении температуры с использованием инфракрасных тепловизоров и обратном моделировании неоднородного теплообмена. Этот метод позволяет одновременно определять продольную и поперечную теплопроводности сердечника, а также контактное тепловое сопротивление между сердечником и оболочкой.

Модель расчета

Для упрощения расчета без изменения закона теплопередачи батареи, как показано на рис. 2, квадратную батарею можно упростить до неоднородной эквивалентной модели, состоящей из двух частей: металлической оболочки и внутреннего кристалла. Тепловые свойства ядра представляют собой ортогональную анизотропию; оболочка однородна, а ее теплофизические параметры известны.

Четыре ключевых параметра этой неоднородной модели:

• Теплопроводность сердечника: теплопроводность облицовки kin, продольная теплопроводность kcr;
• Коэффициент теплопередачи контактной поверхности: коэффициент теплопередачи сердечника и оболочки (большая поверхность) hxy, коэффициент теплопередачи сердечника и оболочки (охлаждающая поверхность) hyz;

Рис. 2 Неоднородная эквивалентная модель литиевой батареи

Метод испытания

Основная идея заключается в моделировании самопроизвольного нагрева батареи во время работы и последующего рассеивания тепла на оболочке и охлаждающей пластине. Скорость рассеивания тепла от оболочки зависит от теплопроводности сердечника и контактного теплового сопротивления.

Экспериментальная установка состоит из двух фаз: фазы «накопления тепла» и фазы «выделения тепла», в ходе которых с помощью инфракрасного тепловизора ведется наблюдение за распределением температуры и динамическими изменениями в оболочке.

Вводя пространственно и временно распределенные данные о температуре, записанные тепловой камерой, в неоднородную модель теплопередачи для инверсии, можно рассчитать четыре тепловых параметра (kin, kcr, hxy, hyz) квадратной литиевой батареи. Кроме того, используя указанные выше параметры и устанавливая эквивалентные условия оценки однородной модели на основе результатов моделирования, можно также рассчитать эквивалентную теплопроводность лицом к лицу kin-uni и эквивалентную продольную теплопроводность kcr-uni квадратной батареи.

Рис. 3 (а) Принципиальная схема структуры измерительной системы; (б) Принципиальная схема эволюции температурного поля на максимальной поверхности ячейки

Тестирование Примера

С использованием описанного метода были проведены испытания квадратной литиевой батареи, предоставленной отечественным производителем.

Результаты, представленные на рисунке 4, демонстрируют точность и надежность двухпозиционного тестера тепловых параметров. Выведенные тепловые параметры включают продольную и поперечную теплопроводность (kin = 17,4 Вт/(мК), kcr = 0,61 Вт/(мК)) и коэффициенты контактной теплопередачи (hxy = 1269 Вт/(м²К), hyz = 584 Вт/(м²К)). Кривые погрешности демонстрируют чувствительность метода к тестируемым параметрам без существенного взаимного влияния. Кроме того, среднеквадратическая ошибка продольного распределения температуры во время 10-минутного процесса охлаждения составила менее 0,2°C, что подтверждает высокую точность полученных параметров.

Рис. 4 (а) Образец квадратной литиевой батареи; (б) Ошибка моделирования неоднородной модели теплопередачи и прогнозирования температуры испытания; (в-е) Кривые ошибок тепловых параметров ячейки и результаты испытаний

Заключение

В заключение, двухпозиционный тестер тепловых параметров предлагает новаторское решение для тестирования тепловых параметров в квадратных батареях. Его применение не только заполняет существующий пробел в отрасли, но и стимулирует разработку технологий управления температурой и проектирования безопасности в секторах электромобилей и накопления энергии. С Zeal Instruments на переднем крае инноваций будущее управления температурой батарей выглядит многообещающим, гарантируя повышенную эффективность, безопасность и долговечность в приложениях с питанием от батарей.