CN110220940B - 一种不规则样品导热性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对锂电池等不规则样品的导热性能测试方法。本发明让待测样品先后处于恒温T0状态、表面具有强对流换热系数的恒温T1状态、表面绝热等三种状态，构造出待测样品内部与环境之间换热的非稳态传热过程；该测试以待测样品自身储能作为热源或热沉，在不损坏样品情况下实现内外传热测试，可避免不均匀样品表层良导热材料带来的热屏蔽效果，也可解决样品不规则形状带来的加热难题。该方法可用于金属外壳方形锂电池等效导热系数的无损测试，也可用于其它常规方法难以检测的不规则形状样品导热性能无损测试。

Description

一种不规则样品导热性能测试方法

技术领域

本发明涉及一种材料导热性能测试方法，更具体的是一种针对方形锂电池等不规则样品的导热性能测试方法。

背景技术

材料导热性能对热设计至关重要，准确测试材料导热性能是***设计的基础，也是生产品质控制的依据。材料导热性能一般采用导热系数表示，少数时候也使用热扩散率参数表征，在已知密度和比热容的情况下，二者知其一可计算另一个。

导热性能测试目前有很多方法和标准，但这些方法大多针对传统材料，一般要求测试样品是各向同性的均匀材料。随着技术的发展，各种新材料和新工艺出现，一些传统方法出现测试效果不理想的情形。比如锂电池热设计中需要其导热系数，但目前缺乏合适的实验测试方法。锂电池一般包括圆柱、软包、方形等几种封装形式，其中软包锂电池相对较规则，已经有一些无损测试方法见诸文献，而圆柱和方形锂电池的导热系数无损测试方法目前还很欠缺，其主要原因是二者非常不规则。

锂电池的不规则主要体现在三方面。第一，锂电池导热性能具有各向异性，圆柱形锂电池一般在轴向和径向具有不同导热系数，而方形锂电池在平行叠片方向和垂直叠片方向具有不同导热系数。第二，圆柱形和方形锂电池具有非均匀结构，二者内部一般为卷绕或层叠的内芯，而外部有金属外壳；由于金属外壳的导热性能较好，一般远大于圆柱锂电池径向导热系数，也远大于方形锂电池纵向导热系数；常规无损测试方法的加热和测温都布置在锂电池表面，金属外壳会产生类似热屏蔽的效果，导致测试对内芯导热系数不敏感。第三，圆柱形锂电池形状不规则，难以通过外部热源热沉构造一维传热。

对于类似锂电池这样的不规则样品，常规方法难以适用。比如稳态法要求构造一维传热，而锂电池的不规则特征导致传热一般是不均匀的，不符合测试模型要求。非稳态法如闪光法主要适用于薄片，且要求样品是均匀材料；瞬态平面热源法也要求样品是均匀材料，且具有平整表面。

常规导热系数或热扩散率无损测试方法中，加热和观测一般都位于待测样品的表面，因此样品表层材料的性质比内部材料对测试结果影响更大。如果待测样品为非均匀材料，比如具有金属外壳的锂电池，则传热很不均匀，热量主要通过金属外壳从热源传递到热沉，样品内部材料性质对测试结果影响很小。而在实际应用中可能更关心待测样品内部和外部热交换时的导热性能，以致测试得到的等效参数无法对实际应用产生指导价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：对类似于锂电池的具有形状不规则、材质不均匀等特征的不规则样品，如何采用无损的方法对其导热性能进行测试。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

一种不规则样品导热性能测试方法，测试过程包括如下三个步骤：

步骤1：将待测样品放置在环境Env0中，Env0为恒温环境，温度记为T0；待测样品在环境Env0中保持足够时间，直到待测样品温度为T0且各处温度均匀。

步骤2：将待测样品快速转移到环境Env1中，Env1为恒温强对流环境；Env1的温度与Env0温度不同，记温度为T1；Env1中待测样品表面换热系数hs1应尽量大，一般应大于100；待测样品在环境Env1中保持一段时间并与环境进行热交换，该保持时间timTx的取值应使该时间段中待测样品平均温度变化与T1-T0的绝对值的比值在0.2-0.8间。

步骤3：将待测样品快速转移到环境Env2中并保持一段时间；保持时间timAd应足够大，以使待测样品内部温度基本趋于一致为宜；环境Env2中待测样品表面应尽量接近绝热，绝热程度应使timAd时间内样品与环境换热带来的样品平均温度变化不超过(T1-T0)的0.1倍；测量并记录待测样品进入Env2后表面温度随时间的变化过程Ts(t)。

测试结束后，根据测试过程中的参数和记录的数据，包括T0、T1、timTx、Ts(t)等，使用特征量评估待测样品导热性能，或者基于等效传热模型反演计算待测样品等效导热系数。

一种评估待测样品导热性能所用特征量为待测样品在步骤2中的散热量，计算方法如下：(1)计算Ts(t)的最大值，记为Tsm；(2)按照如下公式计算散热量RatioLoss：

另一种评估待测样品导热性能所用特征量计算方法如下：计算步骤3中待测样品从进入Env2到表面温度达到Tch的最短时间，将其作为特征量；其中温度Tch为：

Tch＝T1+(T0-T1)·C

其中参数C是预先设定的固定参数，取值一般在0～1之间。

基于等效传热模型反演计算待测样品等效导热系数：使用热物性参数已知且导热性能与待测样品接近的材料，制作几何尺寸与待测样品一致的参考样品；使用参考样品进行和待测样品完全相同的测试，然后根据参考样品测试时步骤3记录的表面温度曲线，反演计算步骤2中的样品表面换热系数hs1作为标定结果，再将hs1应用于待测样品测试的导热系数反演计算。

进一步说，执行步骤3时，环境Env2为自然对流环境，该环境中待测样品表面等效换热系数hs2采用如下方法标定并应用于待测样品导热系数反演计算：使用导热性能良好的材料制作与待测样品尺寸相近的两个参考样品；将一个电热片夹在两个参考样品中间，以类似于待测样品测试时的姿态放置在步骤3的环境Env2中，保持恒定功率持续加热，功率设置依据是使参考样品达到稳态时的表面温度与待测样品测试步骤3中表面温度相当；当参考样品达到热平衡后，记录加热功率Q、参考样品表面平均温度Tr、环境温度Ta，以及样品总表面积S，表面换热系数hs2的标定结果为：hs2＝Q/((Tr-Ta)*S)。

本发明的有益效果：本发明通过将待测样品在三种环境状态间切换，构造的传热过程中热源或热沉是样品内部储能，而不是外部加热装置，因此传热方向是样品内部和外部之间；即使对于金属外壳锂电池，也不会出现热屏蔽问题，测试结果可以很好的反映样品内部和外部换热性能。该测试方法中，虽然测试环境可能不够理想，比如步骤2中无法实现足够大表面换热系数，步骤3中无法实现表面绝热，但通过参考样品的几个标定实验，可以获得步骤2和步骤3中表面换热系数的标定数据，代入到待测样品的反演模型中即可修正相关因素带来的误差。

附图说明

图1为本发明实施方式1的测试方法示意图；

图2为本发明实施方式1中数据分析时的相关特征量示意图；

图3为本发明实施方式2中的待测样品示意图；

图4为本发明实施方式2的测试方法示意图；

图5为本发明实施方式2中标定空气自然对流环境下待测样品表面等效换热系数的方法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点清楚明白，以下结合附图对本发明做进一步说明：

实施例1

该实施例中测试对象具有不规则形状，且材质可能不均匀，其热物性与陶瓷材料相近。如果使用常规测试方法，则难以在无损的情况构造符合测试模型的传热，因此无法测试其导热性能。

该实施例的测试方法如图1所示，待测样品1表面固定热电偶2，热电偶2连接测温仪器3采样记录温度数据；另外有热电偶7和样品支架8连接测温仪器3，用于测量记录测试过程中环境温度。测试过程主要包括三个步骤：

步骤1：将待测样品1放置在温度为“室温+20℃”的恒温水浴4中保持1小时，实测记录水浴温度为T0。

步骤2：将待测样品1快速转移到温度约为室温的水浴5中，水浴5中的水通过大功率水泵6驱动，具有很高流速，以使待测样品1表面换热系数足够大；水浴5中的水足够多，使水的总热容达到待测样品热容的百倍以上，以保证测试过程中水温不会因与待测样品热交换而发生显著变化；水浴5的温度采用热电偶7和测温仪器3测量记录，记为T1；待测样品1从水浴4切换到水浴5的耗时小于2秒以减小待测样品在空气中散热带来测试误差；从待测样品1进入水浴5开始计时，保持100秒，然后进入下一步骤。

步骤3：将待测样品从水浴5快速取出并快速擦干表面水分，放置在空气无强制流动的封闭室内环境中，样品支架8采用隔热材料，且与待测样品1接触面积很小，以减小表面散热损失；从待测样品移出水浴5的瞬间开始，测温仪表3以5Hz速率记录热电偶2的测温数据，记为Ts(t)。

评估待测样品导热性能可采用如下两种方法之一：

(1)方法1：待测样品在步骤3中的表面温度变化曲线Ts(t)大致如图2所示，记Ts(t)曲线的最大值为Tsm，计算如下特征量：

特征量RatioLoss表示步骤2中待测样品在循环水浴中的散热量，其可反映待测样品导热能力，RatioLoss越大则表明导热性能越好。

(2)方法2：待测样品在步骤3中的表面温度变化曲线Ts(t)大致如图2所示，计算待测样品从水浴5取出到表面温度达到T80的最短时间tim80，将其作为特征量。tim80反映了待测样品平均热扩散能力，亦间接反映其导热能力，tim80越小则待测样品导热性能越好，其中温度T80为：

T80＝T1+(T0-T1)×0.8

实施例2

该实施例中测试对象为金属壳方形锂电池，其不规则特征主要表现在宏观上具有不均匀性，其结构如图3所示：电池由金属外壳10和内芯11组成，内芯11被金属外壳10完全包裹密封。电池工作时内芯11会产生热量，这些热量需要传递到电池外表面(亦即金属外壳1外表面)才能进一步通过空气或水循环等措施传走。热量从内芯11内部传导到金属外壳10外表面的导热性能对热设计非常重要。如果不破坏锂电池封装，则常规测试方法中加热和测温都在金属外壳10上，传热主要发生在金属外壳10的面向，金属外壳10对内芯材料11起到了热屏蔽的效果，导致测试无法准确反映内部热量向外传导的性能。为使测试工况尽量接近电池工作时的传热过程，测试时构造的传热方向应主要是在内部和外部之间热交换。

该实施例的测试方法如图4所示，待测锂电池1表面中心位置固定热电偶2，热电偶2连接测温仪器3采样记录温度数据；另外有热电偶7和热电偶9连接测温仪器3，用于测量记录测试过程中环境温度。测试过程主要包括三个步骤：

步骤1：将待测锂电池1放置在温度为“室温+20℃”(记实测温度为T0)的恒温水浴4中，保持1小时。

步骤2：将待测锂电池1快速转移到温度约为室温的水浴5中，水浴5中的水通过大功率水泵6驱动，具有很高流速，以使锂电池1表面换热系数足够大；水浴5中的水足够多，使水的总热容达到待测电池热容的百倍以上，以保证测试过程中水温不会因与电池热交换而发生显著变化；水浴5的温度采用热电偶7和测温仪器3测量记录，记为T1；锂电池1从水浴4切换到水浴5的耗时小于2秒以减小电池在空气中散热带来测试误差；从锂电池1进入水浴5开始计时，保持100秒，然后进入下一步骤。

步骤3：将锂电池从水浴5快速取出并擦干表面水分，放置在空气无强制流动的封闭室内环境中，样品支架8采用隔热材料，且与待测电池1接触面积很小，以减小表面散热损失；从锂电池移出水浴5的瞬间开始，测温仪表3以5Hz速率记录热电偶2的测温数据，记为Ts(t)；采用热电偶9和测温仪器3实测环境温度，记为T2。

采用如下方法反演待测锂电池等效导热系数。首先建立测试模型如下：

样品内部：

边界：

如果0<τ<100

边界：

如果τ>＝100

初始状态：T＝T0，当τ＝0

式中ρ表示待测样品平均密度，可通过总重量除以体积得到；C表示等效比热容，可采用量热仪测得；k表示等效导热系数，是需要反演估计的未知量；hs1是步骤2中循环水浴中的待测样品表面等效换热系数，可通过标定实验确定；hs2是步骤3中待测样品在空气中的表面等效换热系数，可通过标定实验确定；x、y、z表示空间坐标，τ表示时间，T表示待测样品温度的时空演变，n表示6个表面垂直向里的方向。虽然实际中锂电池是不均匀的各向异性材料，而该模型中将锂电池等效为均匀各向同性材料，但其评估得到的等效导热系数仍是有意义的，主要反映锂电池内芯纵向导热系数和内芯与金属外壳间接触热阻的影响。

采用如下误差函数：

ε＝||Ts_sim(t)-Ts(t)||₂

Ts_sim(t)为求解前述传热模型得到的待测样品表面热电偶测温点的温度预测值，误差函数计算了预测热响应和实测热响应的RMS偏差。通过网格法或常规数值搜索算法在导热系数候选区间中搜索，选择使误差函数值最小的导热系数作为反演结果。

其中标定步骤3中待测样品表面等效换热系数hs2的方法如下：使用图5所示参考样品RB，其包括铝合金制作的薄板12和薄板13，二者尺寸相同且与待测锂电池最大表面尺寸一致，记单个表面的面积为S；电热片14位于薄板12和薄板13之间，三者粘接在一起，接触热阻较小；电热片14以恒定功率加热，功率取值以热平衡时薄板12和薄板13表面温度与待测样品测试时的表面温度相当为宜；当薄板12和薄板13进入热平衡时，使用热像仪15记录薄板12表面温度场，并计算其平均值为Tm1；使用热像仪16记录薄板13表面温度场，并计算其平均值为Tm2；使用热电偶17和测温仪表3测量记录薄板12附近空气温度，记为Ta1；使用热电偶18和测温仪表3测量记录薄板13附近空气温度，记为Ta2；测量电热片加热功率为Q；则hs2标定结果为：

其中标定步骤2中待测样品表面等效换热系数hs1的方法如下：使用HDPE塑料制作与待测锂电池1尺寸一致的参考样品RA，使用参考样品RA重复之前锂电池的实验，相关测试步骤和测试参数均完全一致，记参考样品RA实验中热电偶3的测温数据为TsRA(t)。使用和待测样品反演导热系数一样的模型，但材料的密度、比热容和导热系数采用HDPE的参数，这些数据可通过文献获得，或者使用常规测得；模型中hs2使用标定结果，模型中hs1作为唯一未知变量；使用和前面一样的误差函数和反演算法，反演确定hs1的取值作为标定结果。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种不规则样品导热性能测试方法，其特征在于：测试过程包括如下三个步骤：

步骤1：将待测样品放置在环境Env0中，Env0为恒温环境，温度记为T0；待测样品在环境Env0中保持足够时间，直到待测样品温度为T0且各处温度均匀；

步骤2：将待测样品快速转移到环境Env1中，Env1为恒温强对流环境；Env1的温度与Env0温度不同，记温度为T1；Env1中待测样品表面换热系数hs1应尽量大；待测样品在环境Env1中保持一段时间并与环境进行热交换，该保持时间timTx的取值应使该时间段中待测样品平均温度变化与T1-T0的绝对值的比值在0.2-0.8之间；

步骤3：将待测样品快速转移到环境Env2中并保持一段时间；保持时间timAd应足够大，以使待测样品内部温度基本趋于一致为宜；环境Env2中待测样品表面应尽量接近绝热；测量并记录待测样品进入Env2后表面温度随时间的变化过程Ts(t)；

测试结束后，根据测试过程中的参数和记录的数据，包括T0、T1、timTx、Ts(t)，使用特征量评估待测样品导热性能，或者基于等效传热模型反演计算待测样品等效导热系数；

评估待测样品导热性能所用特征量为待测样品在步骤2中的散热量，计算如下：(1)计算Ts(t)的最大值，记为Tsm；(2)按照如下公式计算散热量RatioLoss：

或

评估待测样品导热性能所用特征量计算如下：计算步骤3中待测样品从进入Env2到表面温度达到Tch的最短时间，将其作为特征量，温度Tch为：

Tch＝T1+(T0-T1)·C

其中参数C是预先设定的固定参数，取值在0～1之间；

所述基于等效传热模型反演计算待测样品等效导热系数具体是：

建立测试模型如下：

样品内部：

边界：

如果0<τ<100

边界：

如果τ>＝100

初始状态：T＝T0，当τ＝0

式中ρ表示待测样品平均密度；C表示等效比热容；k表示等效导热系数，是需要反演估计的未知量；hs1是步骤2中循环水浴中的待测样品表面等效换热系数，hs2是步骤3中待测样品在空气中的表面等效换热系数；x、y、z表示空间坐标，τ表示时间，T表示待测样品温度的时空演变，n表示6个表面垂直向里的方向。

2.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于：使用热物性参数已知的材料，制作几何尺寸与待测样品一致的参考样品；使用参考样品进行和待测样品完全相同的测试，然后根据参考样品测试时步骤3记录的表面温度曲线，反演计算步骤2中的样品表面换热系数hs1作为标定结果，再将hs1应用于待测样品测试的导热系数反演计算。

3.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于：执行步骤3时，环境Env2为自然对流环境，该环境中待测样品表面等效换热系数hs2采用如下方法标定并应用于待测样品导热系数反演计算：使用导热性能良好的材料制作与待测样品尺寸相近的两个参考样品；将一个电热片夹在两个参考样品中间，以类似于待测样品测试时的姿态放置在步骤3的环境Env2中，保持恒定功率持续加热，功率设置依据是使参考样品达到稳态时的表面温度与待测样品测试步骤3中表面温度相当；当参考样品达到热平衡后，记录加热功率Q、参考样品表面平均温度Tr、环境温度Ta，以及样品总表面积S，表面换热系数hs2的标定结果为：hs2＝Q/((Tr-Ta)*S)。

Images