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電池絕熱量熱儀的黃金標準:可溯源的電池絕熱量熱儀校準方案

更新時間:2024-07-16  |  點擊率:960



前言


電池絕熱量熱儀作為進行電池絕熱熱失控測量的重要儀器,其核心技術指標為樣品自放熱檢測靈敏度,即識別樣品微弱放熱的能力,該指標直接決定了儀器對電池自放熱起始溫度Tonset等特征溫度點的測量準確性。為實現(xiàn)高檢測靈敏度,要求儀器具有理想的結(jié)構(gòu)設計、精準測溫技術和高效控溫算法等,從而實現(xiàn)優(yōu)異的絕熱性能。

目前行業(yè)內(nèi)缺失電池絕熱量熱儀整機計量校準規(guī)范,因此未形成統(tǒng)一、科學、合理的方法驗證儀器核心指標,不利于客觀評價儀器性能和規(guī)范儀器標準,絕熱性能不佳的儀器測定的數(shù)據(jù)更將直接影響相關企業(yè)進行電池系統(tǒng)安全設計,對鋰電池相關行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生負面影響。

部分廠商和用戶利用具有經(jīng)驗數(shù)據(jù)的鋰電池作為標樣進行儀器評價,這種方法存在一定問題:(1)同一批次電池可能在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料等方面存在細微差異,熱失控實驗數(shù)據(jù)的一致性無法保證,將引入額外的不確定度;(2)部分鋰電池熱失控過程劇烈,對儀器設備造成明顯污染,甚至損傷,同時對測試場地的要求較高。

為了解決以上問題,本文提出一種基于焦耳熱發(fā)生技術的電池絕熱量熱儀校準方案,該方案具有可溯源、精度高、易操作、無損傷、低成本等特點,有望發(fā)展成為電池絕熱量熱儀的校準規(guī)范。


電池絕熱量熱儀的黃金標準:可溯源的電池絕熱量熱儀校準方案


圖1 全尺寸電池絕熱量熱儀



方案介紹



本方案利用標準電阻塊(內(nèi)置加熱管的金屬塊)作為標樣(如圖2所示),并通過程控電源程序控制加熱功率,調(diào)節(jié)電阻塊的升溫速率,從而對鋰電池熱失控溫升過程進行等效模擬。另外,通過高壓氣瓶搭配電磁閥產(chǎn)生脈沖氣流的方式,可實現(xiàn)鋰電池開閥降溫過程的模擬。

為準確模擬鋰電池的產(chǎn)熱過程,參照典型鋰電池絕熱失控實驗數(shù)據(jù),對鋰電池熱失控升溫過程的表觀反應動力學參數(shù)進行擬合計算,得到電池產(chǎn)熱速率隨溫度變化的關聯(lián)方程,并結(jié)合電阻塊的質(zhì)量及比熱容,計算電源實時輸出功率,實現(xiàn)電池放熱過程精確模擬。


電池絕熱量熱儀的黃金標準:可溯源的電池絕熱量熱儀校準方案

圖2 鋰電池熱失控模擬裝置示意圖


如圖2所示,將標準塊吊裝在絕熱量熱儀中,并進行HWS模式實驗,通過對比理論特征溫度點與實測特征溫度點,以及各溫度臺階理論溫升速率與實測溫升速率,可以驗證絕熱量熱儀的測量靈敏度和準確性。



驗證結(jié)果示例




(1)BAC-420A大型電池絕熱量熱儀驗證實驗


利用BAC-420A分別進行三元和磷酸鐵鋰電芯的絕熱熱失控模擬實驗,實驗結(jié)果如圖3~圖8所示。對于三元鋰電模擬實驗,標樣的理論Tonset溫度為80.0℃(對應升溫速率為0.02℃/min),兩次實驗的Tonset檢出臺階分別為80℃和85℃,符合預期。


電池絕熱量熱儀的黃金標準:可溯源的電池絕熱量熱儀校準方案

電池絕熱量熱儀的黃金標準:可溯源的電池絕熱量熱儀校準方案



對于磷酸鐵鋰模擬實驗,標樣的理論Tonset溫度為106.7℃,兩次實驗的Tonset檢出臺階均為110℃,符合預期。上述實驗結(jié)果均滿足一個臺階步長(5)的誤差范圍。實驗中各臺階實測溫升速率與理論值偏差均在±0.003℃/min內(nèi)。


電池絕熱量熱儀的黃金標準:可溯源的電池絕熱量熱儀校準方案

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(2)BAC-800A驗證實驗

對具有更大量熱腔尺寸的BAC-800A分別進行一組三元鋰電和磷酸鐵鋰的絕熱熱失控模擬實驗,實驗結(jié)果如圖9~圖12所示。三元鋰電、磷酸鐵鋰模擬實驗的Tonset檢出臺階分別為80℃、105℃,均符合預期。實驗中各臺階實測溫升速率與理論值偏差均在±0.003℃/min內(nèi)。


電池絕熱量熱儀的黃金標準:可溯源的電池絕熱量熱儀校準方案

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(3)BAC-1000A驗證實驗

對大尺寸密閉型絕熱量熱儀BAC-1000A分別進行一組三元鋰電和磷酸鐵鋰的絕熱熱失控模擬實驗,實驗結(jié)果如圖13~圖16所示。三元鋰電、磷酸鐵鋰模擬實驗的Tonset檢出臺階分別為80℃、110℃,均符合預期;實驗中各臺階實測溫升速率與理論值偏差均在±0.005℃/min內(nèi)。


電池絕熱量熱儀的黃金標準:可溯源的電池絕熱量熱儀校準方案

電池絕熱量熱儀的黃金標準:可溯源的電池絕熱量熱儀校準方案



總結(jié)



基于本文提出的電池絕熱量熱儀校準方案,可以客觀、有效地評價電池絕熱量儀的關鍵性能。同時本文的測試結(jié)果驗證了仰儀科技全尺寸大電池絕熱量熱儀的優(yōu)異性能。仰儀科技將繼續(xù)推進相關計量檢測標準的落地,規(guī)范行業(yè)發(fā)展,以精確、可靠的數(shù)據(jù)為鋰電池行業(yè)保駕護航。


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