关于电池单体热问题的分析

关于电池热问题我是在单体上做的，我就只讲单体热问题，这是我们在单体热问题上整理出来的一个研究思路。我觉得大家可以参考一下，如果在企业内部有一个类似的电池热模拟可以做相应的工作，第一部分是标定物性，最重要的是热物性和产热率。放在一起就是热电模型，有了模型也不足以实现精确的温度模拟，需要一些对边界的精准控制。

比如说在实验室条件下电池的接线和导线的装加可能会带来电池热阻，在产品上更多的是焊接的问题，另外电池的研究有一个很重要的特点，不像数理问题，很多是代数，为了实现快速计算，大家在模型的维度和几何处理做一些工作。

这个温度分布的准不准还得和测温的结构比一比。这款模型我们起了一个名字叫构效关系模型，电极怎么设计的出来的比重能量化，单体结构怎么设计的，出来的温度怎么样，这是我们做这个模型出来的一个本质。

我讲三点，我感觉在这个路径上面困难最大的三点。一是热物性，这是一款25AH能量型EV用电池，我们想把它的比热容和导向系数弄在一起。这件事情就是很容易，我们直觉是导热系似乎不是我们电池做的事情，应该到精密仪器系或者热能系用一些已有仪器做。

试了三种方案，第一种是串并联，第二种和第三种我们建了两种仪器，一个是Hotdisk，另外一种就是氙气和激光闪射的方法，串并联最主要的问题是不便于处理电池之间的热度，在层上很小会发生温度使用的不一样，Hotdisk也有这个问题，在非常短的时间内，把热传到这个膜下面的东西，热流根本没有穿过电流本身，现在产生的问题是需要纯干式的极片，或者一丁点的液体，电池本身是一个湿式，不希望破坏它的结构。

在这样的情况下我们做了一些方法，我就讲一下结论。这是这款电芯最后得到的比热容和常规系数。导热系数在法相0.25，切项1.25，电池的不同方向是强烈导入易热物性的物质。比如在PVD板上我们也做了类似的尝试，应该是最高的精度。

产热率是温度分布的根子，得把产热率标出来，这个可以算也可以量，算的公式企业的工程师都了解，1979年就有了，他把电池的产热最后写成这么一个公式，这里也有两项值得我们标定，测内阻，还有一项是OCA温度的导入，为了算热最后就是算内阻和散热系数，其中散热内阻测量相对变数比较小一点，我们发现不同的测量方法差异很大。

稳态方法就是从满到空，持续放电，换几个不同的CC的电流，瞬态方法就是突然断电流，大部分的内阻测量方法都在这两个范畴之内，我们做了一款只有毫安级别的小电极去测稳态方法，我们参考YS，参考所计算的特定产热工况，选择一个跟产热工况类似的时间，这个方法尽量给准态方法的选择提供依据，这是散热，还有量，我可以直接把热量出来。

传统的量热器比如热重仪，还有一种叫DSC，动力电池上最常用的是这两类，第一类叫ARC，第二类叫IBC，我想这个大家更熟悉一些，它的特点可以提供一个绝热环节，就是外界对电池的热焦化是0，在ARC中可以做各种的实验，这个东西相对比较新，我们买的是全球的第一台还是第二台的大型芯片，还有一个特点无论你的电池如何放热，都可以直接通过温度的方式把温度恒定了，温度恒定对于我们来说是一个好的环境，我们前面讲到内阻温度敏感，在这种情况下我们测得的产热率是单一特定温度产热率，如果在ARC上面测只能得到一个不准确的温度。

量热仪器不好用，我们拿一个标准电阻，有这样一个信号，量出来的是这个样子，就是红线，整个量热仪包括放在其中的电芯，时间长度非常大，产热率强动态一大实质就是我们面临的一个主要矛盾，有实质我们就去做修正。

第三点想讲一下电池的新型测量，电池研究的主要工具前面讲了是模拟，建立一个新测量方法周期非常长，占用学生的精力非常多，有时候那个结论很多时候都不准确，这种费力不讨好的事情还是少做一做。第一个方面电池预测准不准。第二点就是这种测量有什么本身设计缺陷。在外部到内部对封闭结构的单体从单点上分布。

举几个例子，这是我们大概五六年前做的一个相对比较吐槽的工作，还是25AH，里面12个特定位置埋热，当时也做了一些工作，尽量减少对周围的反应影响，这个电池很坚持，坚持了几个月，给了我们一些很宝贵的信息。

大电池内部有很多并联机构，如果不一致会分布，在现实当中就是测不出来的，怎么办呢?我们就把绝缘耳切出来，确实证明了我们的猜想，电流分布差异非常大。可能是电极板本身制成的差异，也可能是后续的问题。

我们做了一款软的聚电压的电路板，一面做了电压，一面做了温度，也是在电池内部做了一些实验，板子的寿命还是有问题的，这个我也在尝试，我们想通过一种外部的方法无损的把电池内部有无异常电流找到。如果不做分割集板怎么办?在周围布了一圈磁场传感器，构建一个磁场出来，以磁测电，目前的进展是电流分布的精度不太好，足以测量内部短路，就是这样的一个进展。

这就是我们在热问题提出的三个难点，热物性、产热率以及新型的测量方法注重内部测量。

通过建立起的精度还不错的温度模型，我们可以做电池的结构设计，就是我们前面讲的3S的时间参数，时间有限举一个例子，假如给一个约束，我就想做多少容量，多少体积的电池，厚度各个尺度的比例都可以变化，比如隔膜的厚度单层是不变的，我们有多少设计方案呢?这些设计方案的温度控制效果如何呢?

横轴是电芯的最高温度，其中一个点就是一套设计方案，我们把这些设计方案带到热量模拟中去得到了电池质量温度和温差，画在这张图上，这张大概一次会有200-500次方案，我们得到了这样一张图，这上面一些点很有趣，首先它是离散的，其中每一个离散的数就是正极的片数。因为有气泡大小，大气泡在上，下气泡在下，它的最高温度偏高，但是温度均匀性还是不错的。

还有一个很重要的信息，如果我们把每一个离散最优点，左下角这一块，最优点画出来，这些红色的点，大家可以看到它在这张图呈现出来的就是负性，我们把这个叫做此消彼涨，这是经济学的一个概念，不可能在不牺牲另外一个指标的前提优化这个指标。

这个图有什么用呢?前面讲了要做单体适宜大小，假如整车企业给我们提了一个要求，我希望电池包或者单体在左下角的曲线当中，通过这个对应容量，我们就能得到在这样的问题要求下，单体电池最高能做到多大，这是一种选定单体对容量的方法，考虑对温升和温差的忍耐能力，这是我们在做电池结构方面的一个例子，在比例包括形状上面还有一些工作。