CN111239180B - 一种不均匀结构的热参数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于不均匀结构热参数的测试方法，主要针对由多个部件连接组合而成的不均匀结构，比如锂电池模组。本发明首先将待测样品放置在恒温T0环境中储能，然后对冷却面采取散热措施，冷却面效果应可近似为温度T1的第一类边界条件。记录散热过程中待测样品远离冷却面一端的温度变化，使用该数据反演不均匀结构内部部件的等效导热系数、部件间接触热阻等热参数。本发明可更灵敏的反映样品实际工作时散热性能相关的热参数，比如等效导热系数、接触热阻等。通过限定与环境换热的表面为局部表面区域，使得测温和换热同时进行，不需要额外增加一个观测阶段，降低测试复杂性，且提高对远离冷却面位置热参数的测试灵敏度。

Description

一种不均匀结构的热参数测试方法

技术领域

本发明涉及一种热参数测试方法，更具体的是一种针对多个部件连接组合形成的不均匀传热结构的等效导热系数、连接位置接触热阻等热参数的测试方法。

背景技术

在智能电子设备、动力电池、微反应器、星载仪器等众多领域，热设计都是系统设计的关键环节。热设计旨在根据系统中热源分布、周边环境条件等，采用各种主动或被动的散热、隔热、加热措施，使系统运行时的温度分布满足要求。热仿真是热设计的重要手段，而热仿真的准确性依赖于模型的合理性以及参数的准确性。

热仿真模型中涉及的热参数一般包括导热系数(或等效导热系数)、接触热阻、表面换热系数等。现有测试方法如稳态法、瞬态平面热源法、闪光法、热线法等均对样品有一定要求，比如要求样品是均质的，形状为圆形平板，厚度小于一定范围等，因此需要专门制作样品来测试。但工艺细节的变化，导致这些制样与真实系统可能存在一定差异，测试结果无法准确反映真实系统性能。

为更准确测试确定真实系统参数，需要在保留真实系统结构特性的情况下进行原位测试，此时测试对象往往由多个部件组合而成，具有非均匀结构，目前相关测试技术非常欠缺。

发明专利：“一种不规则样品导热性能测试方法”(公开号：110220940A)公开了一种导热性能测试方法，其通过将样品先后放置在三种不同的环境中，分别实现储能、换热、观测的功能，构造出样品内部和外部之间的非稳态传热，可以解决样品表面不规则导致均匀激励困难、结构不均匀导致对内部热参数不敏感等问题。但该方案主要针对整个表面均为换热面的测试对象，因此未利用换热阶段的温度信息，仅使用观测阶段数据进行热参数估计，导致测试时间长，操作复杂。实际中很多系统热设计都具有指定的散热面，因此内部热量向不同表面传热路径的热阻特性差异很大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：对多个部件连接组合形成的不均匀传热结构中的等效导热系数、接触热阻等热参数，在不破坏内部结构的情况下对其导热性能相关参数进行测试。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

本发明由如下两个测试步骤组成：

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可提供恒温T1的装置上，该装置与待测样品部分表面发生高效换热，使样品的相应部分表面区域可近似为温度T1的第一类边界条件，该部分表面区域记为SC；在待测样品中选择测温点P，测温点P与表面区域SC应分布在传热的上下游两端；样品保持该状态并持续固定时间tCool，测量并记录测温点P的温度变化，记为T(t)，其中t为时间。测试结束后，根据T(t)反演计算样品内部热参数。

进一步说，测试前使用隔热材料对样品除表面区域SC以外的区域进行隔热处理。

本发明的有益效果：通过将样品先后放置在两种不同的环境中，对应不同的边界条件，构造出储热、换热两个阶段；储热阶段储存的热量在换热阶段释放到环境(或者相反方向传热)，这个过程非常类似于样品工作时的传热方式，因此可更灵敏的反映样品实际工作时散热性能相关的热参数，比如等效导热系数、接触热阻等。通过限定与环境换热的表面为局部表面区域，使得测温和换热同时进行，不需要额外增加一个观测阶段，降低测试复杂性，且提高对远离冷却面位置热参数的测试灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例1的测试对象示意图；

图2为本发明实施例1中测试步骤示意图；

图3为本发明实施例2的测试对象示意图；

图4为本发明实施例2的测试步骤示意图。

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：

本发明的主要技术构思：本发明首先将待测样品放置在恒温T0环境中储能，然后对冷却面采取散热措施，冷却面效果应可近似为温度T1的第一类边界条件。记录散热过程中待测样品远离冷却面一端的温度变化，使用该数据反演不均匀结构内部部件的等效导热系数、部件间接触热阻等热参数。

实施例1

该实施例中测试对象为一个软包锂电池模组，其结构如图1所示，电芯1与铝片2接触，利用铝片2的良好导热性能面向传热将热量传递到铝片的2A或2B位置。模组中包括多个电芯1，各电芯之间使用隔热棉3隔开；所有电芯1、铝片2、隔热棉3固定安装在塑料框架上并封装在外壳4中，形成一个模组。模组装包使用时，可能选择2A或2B之一接触水冷板散热。电池工作时电芯内部产生的热量能否很好的传递到水冷板散出去，严重依赖于电芯1和铝片2的接触热阻Rc。为便于描述，建立直角坐标系如下：X、Y轴平行于电芯极片平面，且分别平行于软包的边缘，Z轴垂直于极片平面。

采用图2所示方法对内部接触热阻Rc进行测试：

首先对样品进行预处理：假设待测模组的下表面为冷却面，则在测试模组的某个待测电芯1上部固定测温传感器11，然后优选对模组外壳除底部冷却面之外的其余所有面喷涂气凝胶10进行隔热处理。

然后按顺序执行两个测试步骤：

步骤1：将待测模组放至在恒温箱12中，内部温度均匀且恒定为T0；保持足够时间，比如24小时，使待测模组达到热平衡，内外温度均达到T0。

步骤2：将待测模组转移到水冷板13上，模组冷却面与水冷板13接触散热，水冷板13中通有高速流动的温度为T1的流水以对模组快速散热；水冷板散热的冷却面等效换热系数一般较大，因此模组内部热量散出速度主要取决于电芯1和铝片2之间的接触热阻。记录模组转移到水冷板13后温度传感器11的测温数据，记为T(t)，其中t为时间。

数据分析时，使用如下测试模型：

电芯1内部固体热传导：

铝片2固体热传导：

电芯1和铝片2间界面：

铝片2和水冷板13之间接触界面：

其它电芯1边界或铝片2边界：

初始状态：

T_cell＝T₀,t＝0 式7

T_Al＝T₀,t＝0 式8

其中ρ_cell、C_cell、k_in、k_cross分别为电芯的密度、比热容、面向导热系数、纵向导热系数。ρ_Al、C_Al、k_Al分别为铝片的密度、比热容、导热系数；R_c为电芯和铝片接触热阻；T_cell、T_Al分别为电芯和铝片的温度，都是与空间位置、时间有关的变量。x、y、z为空间坐标，t为时间；Ω_cell表示电芯所占据的空间区域，Ω_Al表示铝片占据的空间区域，Ψ_cell-Al表示电芯和铝片之间的接触界面位置，Ψ_Al-cool表示铝片和水冷板接触界面位置，Ψ_Al-other表示铝片未接触电芯或水冷板的其它边界位置，Ψ_cell-other表示电芯未接触铝片的其它边界位置，

表示边界法线方向单位长度；h₁表示铝片接触水冷板散热时的等效换热系数；T₀为步骤1结束时测试样品的内外温度，T₁为步骤2时的水冷板温度。

式1～式8中，仅R_c和h₁为未知的待测参数。给定二者的任意取值，均可求解前述正问题得到测温点数据的预测值，记为TF(t)；将TF(t)与测试时记录的T(t)的RMS偏差作为失配度，采用常规数值搜索算法寻找使失配度最小的R_c和h₁取值，即为测试结果。

实施例2

该实施例中测试对象为一种软包锂电池模组以及装包使用时其连接的水冷铝板，结构如图3所示，模组中包括多个电芯1，各电芯之间使用隔热棉3隔开，电芯1通过导热胶20与模组外壳4底部接触。模组装包使用时，外壳4底部通过导热胶21与水冷板13接触。电池工作时电芯内部产生的热量能否很好的传递到水冷板散出去，严重依赖于电芯1的面向导热系数kin，以及导热胶20和21的等效热阻。由于导热胶层很薄，可以将导热胶20和21的热阻合并用一个热阻参数Rc描述。为便于描述，建立直角坐标系如下：X、Y轴平行于电芯极片平面，且分别平行于软包的边缘，Z轴垂直于极片平面。采用图4所示方法对这两个参数进行测试：

步骤1：在测试模组的某个待测电芯1上部固定测温传感器11，然后对模组外壳除底部水冷板之外的其余所有面喷涂气凝胶10进行隔热处理；将待测模组放至在恒温箱12中，内部温度均匀且恒定为T0；保持足够时间，比如24小时，使待测模组达到热平衡，内外温度均达到T0。

步骤2：将待测模组移出恒温箱，水冷板13通以高速流动的温度为T1的流水以对模组快速散热；水冷板散热的冷却面等效换热系数一般较大，因此模组内部热量散出速度主要取决于电芯1的面向导热系数kin，以及导热胶热阻Rc。记录模组开始通以温度T1的流水后温度传感器11的测温数据，记为T(t)，其中t为时间。

数据分析时，使用如下测试模型：

电芯1内部固体热传导：

电芯1和水冷板13之间接触界面：

其它电芯1边界：

初始状态：

T_cell＝T₀,t＝0 式12

其中ρ_cell、C_cell、k_in、k_cross分别为电芯的密度、比热容、面向导热系数、纵向导热系数；R_c为电芯到冷却面的总体等效接触热阻(包括从电芯1底部、经导热胶20到外壳4，再经导热胶21到水冷板13传热路径的总热阻)。T_cell为电芯温度，与空间位置、时间有关的变量；x、y、z为空间坐标，t为时间；Ω_cell表示电芯1所占据的空间区域，Ψ_cell-cool表示电芯1和水冷板13之间的抽象接触界面位置，Ψ_cell-other表示电芯其它边界位置，

表示边界法线方向单位长度；T₀为步骤1结束时测试样品的内外温度，T₁为步骤2通过水冷板13的流水温度。

式9～式12中，将R_c和k_in为未知的待测参数，k_cross在本测试中不敏感，可根据先验知识设置一个值，比如20Wm^-1K^-1，其取值相对真实值可能有一定偏差，但对反演结果影响很小。给定R_c和k_in的任意取值，均可求解式9～式12定义的正问题得到测温点数据的预测值，记为TF(t)；将TF(t)与测试时记录的T(t)的RMS偏差作为失配度，采用常规数值搜索算法寻找使失配度最小的R_c和k_in取值，即为测试结果。

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 (2)

1.一种不均匀结构的热阻测试方法，其特征在于：由如下两个测试步骤组成：

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水冷板上，水冷板与待测样品部分表面发生高效换热，使样品的相应部分表面区域可近似为温度T1的第一类边界条件，该部分表面区域记为SC；在待测样品中选择测温点P，测温点P与表面区域SC应分布在传热的上下游两端；样品保持该状态并持续固定时间tCool，测量并记录测温点P的温度变化，记为T(t)，其中t为时间；

测试结束后，根据T(t)反演计算样品内部热阻；

所述的待测样品为软包锂电池模组，其电芯与铝片接触，各电芯之间使用隔热棉隔开；所有电芯、铝片和隔热棉固定安装在塑料框架上并封装在外壳中，形成一个模组，并假设待测模组的下表面为冷却面，则在模组的某个待测电芯上部固定测温传感器，同时建立直角坐标系如下：X、Y轴平行于电芯极片平面，且分别平行于软包锂电池模组的边缘，Z轴垂直于电芯 极片平面；

数据分析时，使用如下测试模型：

电芯内部固体热传导：

铝片固体热传导：

电芯和铝片间界面：

铝片2和水冷板13之间接触界面：

其它电芯边界或铝片边界：

初始状态：

T_cell＝T₀,t＝0 式7

T_Al＝T₀,t＝0 式8

其中ρ_cell、C_cell、k_in、k_cross分别为电芯的密度、比热容、面向导热系数、纵向导热系数；ρ_Al、C_Al、k_Al分别为铝片的密度、比热容、导热系数；R_c为电芯和铝片接触热阻；T_cell、T_Al分别为电芯和铝片的温度，都是与空间位置、时间有关的变量；x、y、z为空间坐标，t为时间；Ω_cell表示电芯所占据的空间区域，Ω_Al表示铝片占据的空间区域，Ψ_cell-Al表示电芯和铝片之间的接触界面位置，Ψ_Al-cool表示铝片和水冷板接触界面位置，Ψ_Al-other表示铝片未接触电芯或水冷板的其它边界位置，Ψ_cell-other表示电芯未接触铝片的其它边界位置，

表示边界法线方向单位长度；h₁表示铝片接触水冷板散热时的等效换热系数；T₀为步骤1结束时测试样品的内外温度，T₁为步骤2时的水冷板温度；

式1～式8中，仅R_c和h₁为未知的待测参数；给定二者的任意取值，均可求解前述正问题得到测温点数据的预测值，记为TF(t)；将TF(t)与测试时记录的T(t)的RMS偏差作为失配度，采用常规数值搜索算法寻找使失配度最小的R_c取值，即为测试结果。

2.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于：测试前使用隔热材料对样品除表面区域SC以外的区域进行隔热处理。

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