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怎樣利用電池絕熱量熱儀獲取有效的鋰電池熱失控測試數據

  • 發布時間:2023-03-16
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前言

為了確保鋰離子電池的安全使用,需要獲取電池熱失控特征參數作為電池熱管理系統的設計輸入,實現對電池熱失控的預防與早期預警。目前,行業內對鋰電池熱失控的測試主要依托于電池絕熱量熱儀(ARC)。該儀器能夠測定電池自放熱絕熱溫升曲線,并得到電池自放熱起始溫度(Tonset)、熱失控起始溫度(TTR)、最高溫度(Tmax)、泄壓溫度(TV)、最大溫升速率((dT/dt)max)和最大壓升速率((dP/dt)max)等特征參數。鋰電(dian)(dian)池熱失(shi)控絕(jue)熱量熱測試(shi)(shi)(shi)方(fang)法目(mu)前尚未形成統一(yi)(yi)的(de)技術標(biao)準(zhun)(zhun)或規范(fan),國內外各(ge)儀器廠商推(tui)薦(jian)的(de)測試(shi)(shi)(shi)流程大(da)致相(xiang)同(tong),但實驗具體執行過程中的(de)樣品準(zhun)(zhun)備、參數選取(qu)和操(cao)作(zuo)規范(fan)性等因素均(jun)會對測試(shi)(shi)(shi)結果造成一(yi)(yi)定影響(xiang)。本文以杭州仰儀科技有限公(gong)司的(de)BAC-420A大(da)型電(dian)(dian)池絕(jue)熱量熱儀為例,從電(dian)(dian)池熱失(shi)控實驗的(de)主要操(cao)作(zuo)流程入(ru)手(shou),簡要說明各(ge)個步驟的(de)操(cao)作(zuo)要點和合(he)格性判定方(fang)法,保障用戶最(zui)終獲取(qu)有效(xiao)的(de)實驗數據(ju)。

圖1  (a)BAC-420A大型(xing)電(dian)池(chi)絕(jue)熱量熱儀與(b)電(dian)池(chi)絕(jue)熱熱失控典型(xing)數據

測試流程

圖2 電池熱(re)失控測試關(guan)鍵步驟(zou)


操作要點

1. 樣品準備

進(jin)行(xing)包(bao)括電池表面處理、SOC調整、信息記錄(lu)在內準備工作。該步驟的(de)實驗(yan)要點如下(xia):

(1) 電(dian)(dian)池(chi)表(biao)(biao)面(mian)處理(li):表(biao)(biao)面(mian)充(chong)分進行清理(li);同時對于(yu)硬殼(ke)電(dian)(dian)池(chi),可(ke)(ke)撕除表(biao)(biao)面(mian)導熱(re)性不(bu)佳的PET藍膜,熱(re)電(dian)(dian)偶可(ke)(ke)與電(dian)(dian)池(chi)表(biao)(biao)面(mian)更緊密(mi)貼合;

(2) 電池按(an)規定(ding)的(de)方法(fa)進行活化(hua)以及SOC控制,充放電過程防止虛接或短路(lu);

(3) 登記包括電池(chi)質量和電壓在內的(de)基礎(chu)數據,并留存(cun)圖像(xiang)資料。

2. 溫差基線校準
由(you)于量熱(re)腔內可能(neng)存在微小的(de)溫(wen)度分布,為(wei)防止絕(jue)熱(re)追蹤階段量熱(re)腔壁(bi)面對樣(yang)品產生過(guo)加熱(re)或欠加熱(re),確保腔內精密的(de)絕(jue)熱(re)環境,需利用(yong)與電池同尺寸的(de)鋁質標準塊作(zuo)為(wei)電池等容物,利用(yong)儀器(qi)的(de)“溫(wen)差(cha)基線”模式(shi)對爐(lu)壁(bi)-樣(yang)品溫(wen)差(cha)的(de)溫(wen)度依賴性進(jin)行校準;該步(bu)驟的(de)實(shi)驗(yan)要點如下(xia):

(1) 試樣安裝

1) 無特殊要求情(qing)況下,樣(yang)品熱電偶均粘貼于試樣(yang)大面中心(xin)點(dian)位置;

2) 利用樣(yang)品(pin)支架(jia)或懸(xuan)吊(diao)的(de)方式裝(zhuang)樣(yang),鋁塊與電池樣(yang)品(pin)在爐(lu)腔中的(de)相對位置盡量保持(chi)一致。 

(2)實驗參數(shu)設置

1) 實驗(yan)溫(wen)度區(qu)間推(tui)薦(jian)覆蓋50℃~200℃,盡可能確保Tonset檢出值落在該范圍內,避免發生誤檢測;

2) 臺階升溫步長控(kong)制(zhi)在25℃及以下,增加恒溫臺階個數有利于提高校(xiao)準精度(du);

3) 根據鋁塊大小選擇恒溫(wen)時(shi)(shi)間(jian)(jian),恒溫(wen)時(shi)(shi)間(jian)(jian)不(bu)足(zu),試(shi)樣(yang)溫(wen)度(du)無法達到平(ping)穩,將影響溫(wen)差(cha)基線校準的有效性。恒溫(wen)時(shi)(shi)間(jian)(jian)(min)一般推薦為(wei)50+40×鋁塊質量(kg)。

圖3 “溫差(cha)基線”模式參數設(she)置界(jie)面

3. 溫(wen)差基線驗證(zheng)

將溫(wen)(wen)差基線校準文(wen)件下(xia)發至軟件后(hou)(hou)臺,隨后(hou)(hou)再次利用鋁塊在“HWS”模式下(xia)進(jin)行實(shi)驗(yan)。通過溫(wen)(wen)度平衡階段鋁塊的(de)(de)溫(wen)(wen)升情況判(pan)斷量熱系統的(de)(de)絕熱特性,從(cong)而對校準文(wen)件的(de)(de)有效(xiao)性進(jin)行驗(yan)證。該步驟的(de)(de)實(shi)驗(yan)要點如下(xia):

(1) 校準文件合格性判據統計每個臺階達到溫度平衡階段后鋁塊的溫升速率。如圖4a所示,若各臺階的溫升速率均處于一個遠小于檢測閾值的區間內,可判定校準文件合格,說明試樣處于相對嚴格的絕熱環境中,在0.02℃/min的檢測閾值條件下可準確進行電池Tonset點判定,出現誤判或明顯偏差的可能性低。而如圖4b和圖4c所示,均為不合格的情況。圖4b鋁塊各臺階的溫升速率過大,說明壁面對試樣存在過加熱的情況,進行電池實驗時可能導致Tonset點在電池未開始自放熱階段被提前檢出。該情況下,需要通過延長恒溫時間等方式重新進行溫差基線校準;圖4c對應的樣品尺寸很小、熱慣量過低,因此爐腔內微弱的溫度場擾動導致樣品溫升速率劇烈波動,進行電池實驗時發生Tonset誤檢測概率高。上述情況(kuang)建(jian)議更換適(shi)用于(yu)小電芯檢測的儀器進行測試。