锂电池检测仪器在设计时离不开仿真软件的模拟和分析

　　作为驱动能源革命的重要力量，锂离子电池因自身的优势迅速成为了电动汽车、便携式电子设备等的主要储能介质。
 

　　然而锂电池的进一步发展仍面临多重挑战，除去基本的成本等经济因素外，热安全性是锂电池饱受诘难的问题之一。在动力电池的系统集成开发过程中，电池的热管理与安全防护是其设计核心。
 

　　优秀的锂电池检测仪器在设计时，离不开仿真软件的模拟和分析，而进行精确仿真的前提条件则是能够输入准确的电池热物性参数，这其中包括电池的密度、比热容、接触热阻和导热系数(或热扩散系数)等。其中导热系数是最重要的热物性参数之一。
 

　　对于硬壳电池的导热系数，目前业内大多使用经验值或原理模型进行估计。而软包电池导热系数的测试则存在一些可行的方法，可分为稳态法和非稳态法。
 

　　稳态法作为一种传统方法，对样品导热系数的测定结果相对准确。但是该方法对样品尺寸要求较高、只能得到纵向导热系数且测试时间较长。而非稳态法测试时间短，但是测试准确性不如稳态法。
 

　　非稳态法主要包括热线法、闪光法和Hot Disk法，其中热线法和闪光法不匹配锂电池测试的应用场景，而Hot Disk法则已在行业内被广泛使用。
 

　　解决方案
 

　　为了解决Hot Disk法的诸多问题，开发了基于红外热像仪测温与三维数据反演技术的3D热物性分析仪。该设备通过柔性电热片对软包锂电池底部施加脉冲激励，在电池一侧利用红外热像仪进行非接触测温，并通过数据反演计算得出电池的纵向与面向导热系数。
 

　　此外，为了验证TCA 3DP和Hot Disk两种方法的准确性，我们以稳态法的测试结果作为参标，计算这两种方法测定的纵向导热系数与稳态法的相对偏差，结果如图所示。

 

　　可以看出，TCA 3DP法测得的结果与稳态法更为接近，相对偏差在4% ~ 11.5%之间，而Hot Disk法测得的结果与稳态法差别较大，相对偏差在61.5% ~ 122.7%之间。因此，我们可以得出结论相比于Hot Disk法，TCA 3DP法测得的导热系数更为准确。
 

　　通过上述实验结果的对比发现，Hot Disk方法测试软包锂离子电池导热系数，除了实验重复性相对较差外，测试结果也存在着一定的系统误差。
 

　　重复性不佳可能是接触热阻带来的问题。软包锂离子电池表面并不是理想平整的，且铝塑膜具有一定的形变能力(如图6a所示)，所以Hot Disk探头与电池表面的贴合状态受操作手法与探头位置影响，从而导致了每次试验接触热阻之间的差异，降低了实验重复性。
 

　　对于TCA 3DP法，由于其热激励采用的是柔性电加热膜，所以加热源和试样贴合较为紧密，大程度上消除了接触热阻的影响。
 

　　Hot Disk测试结果的系统误差可能由于Hot Disk探头集成了加热和测温的功能，使得加热和测温都在电池的同一侧(如图6b所示)，所以实验所测得的数据只能反映试样局部的热物性特征，从而导致测试结果的偏差。