技术分享！锂电池热管理参数测试方案-杭州之量科技有限公司

应用背景

锂电池作为主流储能电源，拥有能量密度高、寿命长等优点，并广泛应用在消费电子、新能源、储能等领域。但在长期高温环境下，锂电池可能会面临热失控、性能衰减等问题。在政策与需求的双向推动下，业界对锂电池的安全与性能提出了更高的要求。要满足这些要求，就离不开热管理设计。

方案概述

锂电池热管理系统是提升电池稳定性、安全性和有效使用生命周期的重要保障，其设计与优化都离不开热仿真分析技术。之量科技的锂电池热管理参数测试方案（导热系数、比热容、充放电产热），通过准确测定热仿真所需的基础参数，为热仿真设计、Pack热失控扩散机制研究、电芯模组测试等提供关键数据支持。

01 软包电池的导热系数

导热系数作为热仿真所需的重要热物性参数之一，准确性直接影响了锂电池的散热特性。

作为多层复合结构的软包电池，在测定面向导热系数、纵向导热系数来获取综合导热系数的过程中，需要综合评估电池材料热特性、复合微结构、温度变化等复杂因素的影响，这是业内仍然存在的技术难题。

基于红外热像仪测温与三维数据反演技术而研发的3D热物性分析仪 TCA 3DP-160，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可得出电池的纵向与面向导热系数，适合各种不同规格、表面硬度、粗糙度、孔隙率的均质或非均质样品，为软包电池的热仿真设计提供更为全面的热物性数据参考。

我们分别用TCA 3DP和Hot Disk法对试样导热系数进行测量，每个样品（4种尺寸和容量各不相同的软包锂电池）重复测量6次。结果如下图所示，TCA 3DP测得的面向和纵向导热系数的相对标准差均小于3%，具有很高的重复性。

同时，为了对比和检验TCA 3DP和Hot Disk法所测结果的准确性，我们利用稳态法对试样的纵向导热系数进行测量，每个样品测试2次。结果如下图所示，TCA 3DP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方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。

02 硬壳电池的导热系数

目前，在新能源车、储能等领域，硬壳电池的装机量占比高达80%，但是由于其结构复杂，在不拆解外壳的前提，业内大多使用经验值或原理模型估计硬壳电池的导热系数，尚未形成通用标准。因此，硬壳电池导热系数测试技术的突破，对于锂电池行业的发展更具重要意义。

两状态法热参数分析仪 TCA 2SC-080，基于红外热像仪非接触式测温与非均质传热模型反演的“储热-释放”两状态测试方法而研发，可通过一次实验同时得到卷芯纵向与面向导热系数，以及卷芯与壳体间的接触热阻，适用于检测非均质核壳结构样品，填补了该测试领域的行业空白。

实验主要分为“储热”和“放热”两个阶段。

（1）储热阶段：将电池放置于温度为T0的恒温环境中，直至样品达到热平衡；

（2）放热阶段：开启冷板内冷却水，使壳体冷却面温度从T0阶跃变化为T1（T1<T0）， 同时利用红外热像仪记录电池外壳最大面温度场演变过程（如图b）。

将热像仪记录的空间与时间分布的温度数据输入非均质传热模型进行反演，可计算得到硬壳电池的芯体面向导热系数、芯体纵向导热系数、芯体和壳体（大面）换热系数、芯体和壳体（冷却面）换热系数这四个热参数。另外，利用上述参数，并基于仿真结果设定均质模型等效评估条件，也可以计算得到硬壳电池等效面向导热系数与等效纵向导热系数。

03 电池单体的比热容及充放电产热

大型电池绝热量热仪 BAC-420A，通过程序升温等热滥用方式诱发电池热失控，还可以进行过充、过放、外部短接等电滥用以及针刺、挤压等机械滥用实验并测定热失控相关数据，同时内置摄像头，支持更直观地观察实验现象。

该仪器分为比热容恒功率模式与比热容恒速率模式，利用差式功率补偿原理，可测定电池比热容的数据，根据电池充放电过程的温度变化范围，测定该温区内的平均比热容，用于计算电池放热量，测试结果如图所示。

与此同时，利用充放电产热测量模式，对充放电过程中电池温度变化进行绝热追踪，得到绝热温升曲线。

通过对曲线进行数学处理，并结合比热容的数据，即可准确测定电池充放电产热功率和产热量。本案例中，NCM三元软包电池（61Ah）在0.2C的充电倍率下，电池绝热温升为18.29℃，总放热量达到12.78kJ，最大放热功率约为3.3W。

电池等温量热仪 BIC-400A，基于功率补偿等温量热原理而研发，能准确测量电池充放电过程中的吸放热功率、吸放热总量、最大放热功率等热特性参数，具有小于0.1mW的基线噪声，检测灵敏度高，适用于各类型和不同尺寸及容量的电池。

如图所示，在充电过程，所有电池在达到截止电压后由于电流逐渐减小，放热量迅速下降。而电池放电过程由于内阻不断增大导致放热量呈现单调上升趋势。另外，适宜的工作温度可以降低充放电产热量，并提高可逆热的占比。在电池充电过程可以观察到明显的吸热峰。

总结

除了锂电池热管理参数测试，之量科技还提供锂电池单体热失控测试、产气成分在线分析、产气爆炸特性测试等解决方案，专业助力客户深入剖析电池正常运行或发生热失控状态下的热特性参数，实现锂电池安全管理与性能提升。

技术｜软包锂电池导热系数的精准测定方法

TCA 3DP-160 3D热物性分析仪是目前行业内测定软包锂电池各向异性导热系数最为有效的测试仪器。本文主要介绍针对不同类型的电芯如何设计合理的测试方案，以期获得更准确的测试结果。

原理

3D热物性分析仪是一款原创仪器，测试原理基于红外热像仪测温与三维热数据反演技术。如图1所示。测试过程中，将柔性电热片粘贴在软包锂电池底部，施加脉冲热激励，并使用红外热像仪对电池上表面进行非接触测温，记录温度空间分布及时间演变数据。结合温度数据和被测对象的三维热传递数值模型，利用智能优化算法进行热参数反演计算，能够同时求取电池面向与纵向导热系数(kx、kz)，求解得到的热参数可以实现模型预测误差最小化。样品内部真实的传热路径与数值模型的吻合程度决定了测试结果的置信度。上述指标可以通过反演计算过程生成的误差曲线进行定性评估，误差曲线呈现“V”字形，形状越尖锐则代表测量结果的置信度越高，即观测温度对导热系数的偏差越“敏感”。如图2所示，在理想条件下，加热片释放的热流穿透电芯传导至上表面；当存在加热片不适配或参数设置不合理等情况下，一方面将存在不可忽略的热流分量沿铝塑膜进行传导，形成样品表面热流环路，偏离计算模型，降低测量准确性；另一方面，若观测面的温升幅值过小，温度噪声带来的随机误差将导致测量精度下降。

图1 TCA 3DP-160 3D热物性分析仪测试原理左：仪器外观；中：测试原理示意图；右：预测误差与误差曲线

图2 不同尺寸的电加热片导致热传导路径差异示意图

根据上述测量原理，理想的热激励源应具备加热面积小和加热功率大的特点，而加热方案如加热时长和周期等参数设置需要与样品及加热源特性相匹配。本文选择3个典型尺寸的样品，重点介绍加热片选型和加热方案设计思路，结合具体的应用实例帮助用户获得更有效的测试数据。

样品准备

如图3，本文选择2款储能电池和1款手机电池共3种样品进行测试。上述样品的尺寸具有一定的代表性，其中15Ah储能电池为常规尺寸，25Ah储能电池厚度较大，而3.5Ah手机电池尺寸小，需根据样品尺寸特点选择不同规格的加热片进行实验。具体样品信息如表1所示。

图3 3种电池样品照片

表1 测试样品信息

样品测试

1. 15Ah软包电池测试

该样品为比较典型的软包电池尺寸之一，由于长边/厚度的比值较大(>20），热流能够快速穿透电池，中心点升温较快，容易在上表面产生明显的温度梯度。因此在确保足够信噪比的前提下，可以适当降低加热功率或缩短加热时间，缩小在样品大面方向的温度扩散范围，从而避免热流环路影响。本实验选择仪器标配的加热片，尺寸为54mm*36mm，使用加热方案为：加热功率8W，加热时间30s，加热周期1个。 上述测试方案能够取得较理想的结果。如图4所示，温度预测结果和实测数据的吻合程度非常高，观测面的预测误差控制在0.12℃以内。同时观察图4e和图4f，面向和纵向导热系数的误差曲线均呈现尖锐的V字形，测试结果的置信度高。优化计算结果为kx=23.93 W/(m·K)，kz=0.36 W/(m·K)。

图4 15Ah软包电池测试(a) 加热片安装方式；(b) 预测误差空间分布图；样品中心点位置温度时变曲线(b)仿真与(c)实测结果对比；(e)纵向与(f)面向导热系数误差曲线

2. 25Ah软包电池测试

该样品厚度大于常规电池，长边/厚度的比值仅为11.5。为了在观测面建立足够的温度梯度，相较于样品1 需要更长的加热时间及更高的加热功率，但同时容易导致热流环路效应。为解决此问题，与标配加热片相比，本实验选用的加热片提高了加热功率，并减小了尺寸，其规格为29mm*23mm。使用加热方案为：加热功率28W，加热时间75s，冷却时间150s，加热周期2个 。利用上述测试方案能够兼顾测量准确性和精度。如图5所示，观测面的预测误差控制在0.2℃以内，同时面向和纵向导热系数的误差曲线均反映出较高的置信度，测试结果为kx=22.34W/(m·K)，kz=0.57 W/(m·K)。

图5 25Ah软包电池测试(a)加热片安装方式；(b)预测误差空间分布图；样品中心点位置温度时变曲线(b)仿真与(c)实测结果对比；(e)纵向与(f)面向导热系数误差曲线

3. 3.5Ah小型软包电池测试

由于该样品尺寸小，长边/厚度的比值同样仅为11.8，和样品2 的情况相仿，需选择加热功率大而尺寸尽可能小的加热片。本实验选择的加热片尺寸为6mm*3mm，使用加热方案为：加热功率4W，加热时间10s，加热周期1个。 如图6所示，利用上述测试方案，观测面的预测误差可控制在0.15℃以内。由于加热片尺寸很小，且加热时间短，限制了大面方向的热扩散；同时，较高的加热功率也确保了观测面达到足够的温升幅值。因此，图6e和6f同样表明测试结果的置信度较高。优化计算结果为kx=25.91 W/(m·K)，kz=0.91 W/(m·K)。

图6 3.5Ah小型软包电池测试(a)加热片安装方式；(b)预测误差空间分布图；样品中心点位置温度时变曲线(b)仿真与(c)实测结果对比；(e)纵向与(f)面向导热系数误差曲线

总结

3D热物性分析仪能够准确、高效地分析软包锂电池导热系数。而合理的测试方案能够进一步提升测试结果的准确性和精度。结合用户需求，杭州之量科技有限公司提供不同规格的加热元件，并开发了加热方案智能推荐算法，可根据样品特性自动设置合理的实验参数，显著降低仪器操作难度，确保用户能够便捷使用。

来源：锂想生活

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