摘要

TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀是目前行業(yè)內(nèi)測定軟包鋰電池各向異性導(dǎo)熱系數(shù)最為有效的測試儀器。本文主要介紹針對不同類型的電芯如何設(shè)計合理的測試方案，以期獲得更準確的測試結(jié)果。

一、原理回顧

3D熱物性分析儀是一款原創(chuàng)儀器，測試原理基于紅外熱像儀測溫與三維熱數(shù)據(jù)反演技術(shù)。如圖1所示。測試過程中，將柔性電熱片粘貼在軟包鋰電池底部，施加脈沖熱激勵，并使用紅外熱像儀對電池上表面進行非接觸測溫，記錄溫度空間分布及時間演變數(shù)據(jù)。結(jié)合溫度數(shù)據(jù)和被測對象的三維熱傳遞數(shù)值模型，利用智能優(yōu)化算法進行熱參數(shù)反演計算，能夠同時求取電池面向與縱向?qū)嵯禂?shù)（k_x、k_z），求解得到的熱參數(shù)可以實現(xiàn)模型預(yù)測誤差最小化。

樣品內(nèi)部真實的傳熱路徑與數(shù)值模型的吻合程度決定了測試結(jié)果的置信度。上述指標可以通過反演計算過程生成的誤差曲線進行定性評估，誤差曲線呈現(xiàn)“V”字形，形狀越尖銳則代表測量結(jié)果的置信度越高，即觀測溫度對導(dǎo)熱系數(shù)的偏差越“敏感”。如圖2所示，在理想條件下，加熱片釋放的熱流穿透電芯傳導(dǎo)至上表面；當存在加熱片不適配或參數(shù)設(shè)置不合理等情況下，一方面將存在不可忽略的熱流分量沿鋁塑膜進行傳導(dǎo)，形成樣品表面熱流環(huán)路，偏離計算模型，降低測量準確性；另一方面，若觀測面的溫升幅值過小，溫度噪聲帶來的隨機誤差將導(dǎo)致測量精度下降。

圖1 TCA 3DP-160 3D熱物性分析儀測試原理

左：儀器外觀；中：測試原理示意圖；右：預(yù)測誤差與誤差曲線

圖2 不同尺寸的電加熱片導(dǎo)致熱傳導(dǎo)路徑差異示意圖

根據(jù)上述測量原理，理想的熱激勵源應(yīng)具備加熱面積小和加熱功率大的特點，而加熱方案如加熱時長和周期等參數(shù)設(shè)置需要與樣品及加熱源特性相匹配。本文選擇3個典型尺寸的樣品，重點介紹加熱片選型和加熱方案設(shè)計思路，結(jié)合具體的應(yīng)用實例幫助用戶獲得更有效的測試數(shù)據(jù)。

二、樣品準備

如圖3，本文選擇2款儲能電池和1款手機電池共3種樣品進行測試。上述樣品的尺寸具有一定的代表性，其中15Ah儲能電池為常規(guī)尺寸，25Ah儲能電池厚度較大，而3.5Ah手機電池尺寸小，需根據(jù)樣品尺寸特點選擇不同規(guī)格的加熱片進行實驗。具體樣品信息如表1所示。

圖3 3種電池樣品照片

表1 測試樣品信息

三、樣品測試

1.15Ah軟包電池測試

該樣品為比較典型的軟包電池尺寸之一，由于長邊/厚度的比值較大(>20)，熱流能夠快速穿透電池，中心點升溫較快，容易在上表面產(chǎn)生明顯的溫度梯度。因此在確保足夠信噪比的前提下，可以適當降低加熱功率或縮短加熱時間，縮小在樣品大面方向的溫度擴散范圍，從而避免熱流環(huán)路影響。本實驗選擇儀器標配的加熱片，尺寸為54mm*36mm，使用加熱方案為：加熱功率8W，加熱時間30s，加熱周期1個。

上述測試方案能夠取得較理想的結(jié)果。如圖4所示，溫度預(yù)測結(jié)果和實測數(shù)據(jù)的吻合程度非常高，觀測面的預(yù)測誤差控制在0.12℃以內(nèi)。同時觀察圖4e和圖4f，面向和縱向?qū)嵯禂?shù)的誤差曲線均呈現(xiàn)尖銳的V字形，測試結(jié)果的置信度高。優(yōu)化計算結(jié)果為k_x=23.93 W/(m·K)，k_z=0.36 W/(m·K)。

圖4 15Ah軟包電池測試(a) 加熱片安裝方式；(b) 預(yù)測誤差空間分布圖；樣品中心點位置溫度時變曲線(b)仿真與(c)實測結(jié)果對比；(e)縱向與(f)面向?qū)嵯禂?shù)誤差曲線

2. 25Ah軟包電池測試

該樣品厚度大于常規(guī)電池，長邊/厚度的比值僅為11.5。為了在觀測面建立足夠的溫度梯度，相較于樣品1需要更長的加熱時間及更高的加熱功率，但同時容易導(dǎo)致熱流環(huán)路效應(yīng)。為解決此問題，與標配加熱片相比，本實驗選用的加熱片提高了加熱功率，并減小了尺寸，其規(guī)格為29mm*23mm。使用加熱方案為：加熱功率28W，加熱時間75s，冷卻時間150s，加熱周期2個。

利用上述測試方案能夠兼顧測量準確性和精度。如圖5所示，觀測面的預(yù)測誤差控制在0.2℃以內(nèi)，同時面向和縱向?qū)嵯禂?shù)的誤差曲線均反映出較高的置信度，測試結(jié)果為k_x=22.34W/(m·K)，k_z=0.57 W/(m·K)。

圖5 25Ah軟包電池測試(a)加熱片安裝方式；(b)預(yù)測誤差空間分布圖；樣品中心點位置溫度時變曲線(b)仿真與(c)實測結(jié)果對比；(e)縱向與(f)面向?qū)嵯禂?shù)誤差曲線

3. 3.5Ah小型軟包電池測試

由于該樣品尺寸小，長邊/厚度的比值同樣僅為11.8，和樣品2的情況相仿，需選擇加熱功率大而尺寸盡可能小的加熱片。本實驗選擇的加熱片尺寸為6mm*3mm，使用加熱方案為：加熱功率4W，加熱時間10s，加熱周期1個。

如圖6所示，利用上述測試方案，觀測面的預(yù)測誤差可控制在0.15℃以內(nèi)。由于加熱片尺寸很小，且加熱時間短，限制了大面方向的熱擴散；同時，較高的加熱功率也確保了觀測面達到足夠的溫升幅值。因此，圖6e和6f同樣表明測試結(jié)果的置信度較高。優(yōu)化計算結(jié)果為k_x=25.91 W/(m·K)，k_z=0.91 W/(m·K)。

圖6 3.5Ah小型軟包電池測試(a)加熱片安裝方式；(b)預(yù)測誤差空間分布圖；樣品中心點位置溫度時變曲線(b)仿真與(c)實測結(jié)果對比；(e)縱向與(f)面向?qū)嵯禂?shù)誤差曲線

四、總結(jié)

3D熱物性分析儀能夠準確、高效地分析軟包鋰電池導(dǎo)熱系數(shù)。而合理的測試方案能夠進一步提升測試結(jié)果的準確性和精度。結(jié)合用戶需求，杭州之量科技有限公司提供不同規(guī)格的加熱元件，并開發(fā)了加熱方案智能推薦算法，可根據(jù)樣品特性自動設(shè)置合理的實驗參數(shù)，顯著降低儀器操作難度，確保用戶能夠便捷使用。