CN209542495U - 一种圆柱电池径向导热系数的测定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种圆柱电池径向导热系数的测定装置，它包括支架、圆柱电池和数据采集仪，所述圆柱电池通过棉线悬挂在支架上，圆柱电池在电池脖颈处切割去除正极端盖或者负极外壳正对芯轴处开设孔洞并去除负极极耳与外壳的连接，孔洞内置有钢管加热器。所述钢管加热器包括电热丝、绝缘柱和中空钢管，安装在绝缘柱内的热电偶，圆柱电池外表面贴敷数个外部温度传感器，所述热电偶、外部温度传感器以及温度传感器分别与数据采集仪相连，所述数据采集仪发送信号给无线记录操作台，所述无线记录操作台与计算机相连接。本实用新型能够实现对圆柱电池进行直接测量，使测量结果更加真实和准确，可测试不同工况温度下的圆柱电池导热系数测量。

Description

一种圆柱电池径向导热系数的测定装置

技术领域

本实用新型涉及一种圆柱电池径向导热系数的的测定装置，属于储能电池热物性参数研究与热管理技术领域。

背景技术

以锂离子电池为主的圆柱电池因功率密度高、一致性好和能量存储转换方便等优势，目前越来越多应用于消费电子与乘用车辆领域。然而，圆柱电池在运行中大倍率充放电会产生较多的热量，不及时耗散容易引发电池容量和寿命衰减，甚至导致电池热失控。随着使用年限的提高，电池正负极材料与集流极之间的粘接性下降，电解液损耗，导热与导电性能会进一步下降，即使在正常充放电也有可能导致产热增加，加大热失控风险。

圆柱电池的径向导热系数是一个重要热物性参数，预示电池升温速度和内部温差幅度，是进行电池有效热管理的关键热物性参数。因此，为了评估圆柱电池的升温特性以及内部温差，需要确定电池的径向导热系数等热物性参数，从而实现对圆柱电池的有效热管理与温度管控。由于圆柱电池包栝电芯、正负极极耳、正极端盖等零部件以及易挥发电解液，呈现非均质特征，互相干扰，导致圆柱电池导热系数测量尤为困难。

申请公布号为CN 108170914 A的实用新型专利公开了一种圆柱卷绕式锂离子动力电池热物性参数的原位求取方法，该方法在仿真软件中搭建简化的18650电池二维轴对称传热模型，该传热模型中包含该电池不同方向上的导热系数以及热参数，通过软件仿真拟合电池外部加热时的表面温度分布来获取导热系数。该方法不能直接测量圆柱电池的径向导热系数，必须通过仿真软件试凑实验结果，计算时间长，测量难度高。由于搭建的电池传热模型与电池的真实结构状态存在一定的差异，并没有实现对电池导热系数的直接测量，因此测量精度难以保证。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种圆柱电池径向导热系数的测定装置，能够实现对圆柱电池进行直接测量，使测量结果更加真实和准确。

为了解决上述问题，本实用新型采用的技术方案如下：

一种圆柱电池径向导热系数的测定装置，它包括支架、圆柱电池和数据采集仪，所述支架和圆柱电池设置在温控箱内，

所述圆柱电池安装在支架上，圆柱电池在电池脖颈处进行切割去除正极端盖或者在负极外壳正对芯轴处开设有内径稍大于芯轴中空尺寸的圆柱形孔洞并去除负极极耳与外壳的连接，芯轴内放置有圆柱形钢管加热器，所述钢管加热器与圆柱电池最内层的隔膜材料紧密贴合，钢管加热器的端部与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充，钢管加热器通过导线与温控箱外的直流电源相连接，

所述钢管加热器包括电热丝、绝缘柱和中空钢管，所述绝缘柱位于中空钢管内，绝缘柱内安装有一个或者多个热电偶，所述电热丝7螺旋缠绕在绝缘柱上，在中空钢管与电热丝之间包裹一层电绝缘胶带，

电热丝与热电偶从中空钢管的一端或者两端引出，所述热电偶的温度探头在绝缘柱中部穿过绝缘胶带与中空钢管内壁紧密接触，

沿所述圆柱电池外表面轴向等距贴敷数个外部温度传感器，温控箱内安装有检测箱内温度的温度传感器，所述热电偶的引线、外部温度传感器以及温度传感器分别与数据采集仪相连，所述数据采集仪发送信号给无线记录操作台，所述无线记录操作台与计算机相连接。

进一步，所述绝缘柱的内表面沿轴向刻有沟槽，所述热电偶顺着沟槽引到绝缘柱的中部。

进一步，所述外部温度传感器的数量为4个。

进一步，所述密封胶为环氧胶或者硅胶。可防止电池正负极内部隔膜中所吸附电解液的泄露，使测试结果与真实电池的结果一致。

进一步，所述圆柱电池通过棉线悬挂在支架上。

进一步，所述中空钢管的壁厚为0.1-0.5mm。

进一步，所述钢管加热器的长度与电芯长度相等。

上述测定装置，通过安装在芯轴中空处的钢管加热器实现对圆柱电池的恒定加热，并能准确收集圆柱电池的内部温度和外部温度，根据所测量的内外温度差计算径向导热系数；所述圆柱电池开口比芯轴中空尺寸稍大，不破坏电池正负极结构，使测试结果与真实电池的结果一致。温控箱能够控制外部环境的初始温度T₀恒定不变，确保圆柱电池的导热系数计算精确性；并能通过调节温控箱内的初始温度并重复测量过程，测试不同工况温度下动力电池的导热系数。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型圆柱电池径向导热系数的测定装置在不改变电池内部结构与相对位置的情况下，能够直接测量电池的导热系数，测量结果更加真实、准确。

2、本实用新型的测定装置成本低，便于操作，通过调节温控箱初始温度并重复测量过程，能够测试不同工况温度下的圆柱电池径向导热系数，可为圆柱电池厂家、电动汽车企业等机构提供可靠的圆柱电池径向导热系数测试数据，并用于电池热管理与热失控防护设计。

附图说明

图1为本实用新型在圆柱电池负极外壳处开口并安装钢管加热器的结构示意图。

图2为本实用新型在圆柱电池脖颈处进行切割去除正极端盖并安装钢管加热器的结构示意图。

图3为本实用新型在圆柱电池的上、下端开口并安装钢管加热器的结构示意图。

图4为本实用新型圆柱电池径向导热系数的测定装置的结构示意图。

图1至4中，1、电池上盖；2、粘结胶；3、正极垫片4、电池上盖顶盖5、防爆阀；6、正极连接盖；7、电热丝；8、绝缘柱；9、电池外壳；10、负极；11、隔膜；12、正极；13、负极垫片；14、绝缘胶带；15、中空钢管；16负极极耳；17、正极极耳；18、内部温度传感器；19、密封胶；20、支架；21、棉线；22、温控箱；23、外部温度传感器1；24、圆柱电池；28、温度传感器；29、直流电源；30、数据采集仪；31、无线记录操作台；32、计算机。

图5为本实用新型中钢管加热器一实施例的结构示意图(电热丝从一端引出)。

图6为本实用新型中钢管加热器另一实施例的结构示意图(电热丝从两端引出)。

图7为采用本实用新型进行测定，初始温度T₀为10℃时动力电池径向导热系数测量温度变化图。图中，a为电池内部温度；b为电池壁面温度；c为温控箱内温度。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步的详细说明。根据下面的说明，本实用新型的目的、技术方案和优点将更加清楚。需要说明的是，所描述的实施例是本实用新型的优选实施例，而不是全部的实施例。

结合图4至图6同时参考图1至图3，一种圆柱电池径向导热系数的测定装置，它包括支架20、圆柱电池24和数据采集仪30，所述支架20和圆柱电池24设置在温控箱22内。所述圆柱电池24通过棉线21悬挂在支架20上，圆柱电池24在电池脖颈处进行切割去除了正极端盖或者负极外壳，在正对芯轴处开设有内径稍大于芯轴中空尺寸的圆柱形孔洞A并去除负极极耳与外壳的连接，芯轴内放置有圆柱形钢管加热器B，所述钢管加热器B与圆柱电池24最内层的隔膜材料11紧密贴合，钢管加热器的端部与电池外壳之间的缝隙内用密封胶19填充，钢管加热器通过导线与温控箱外的直流电源29相连接，通过钢管加热器对圆柱电池进行加热。所述钢管加热器包括电热丝7、绝缘柱8和中空钢管15，所述中空钢管的壁厚优选为0.1-0.5mm。所述绝缘柱8位于中空钢管15内，绝缘柱8内安装有一个或者多个热电偶18，所述电热丝7螺旋缠绕在绝缘柱8上，在中空钢管15与电热丝7之间包裹一层耐高温电绝缘胶带14，电热丝7与热电偶18从中空钢管15的一端或者两端引出，所述热电偶18的温度探头在绝缘柱中部穿过绝缘胶带14与中空钢管15内壁紧密接触。沿所述圆柱电池24外表面轴向等距贴敷4个外部温度传感器23，温控箱22内安装有检测箱内温度的温度传感器28，所述热电偶18的引线、外部温度传感器23以及温度传感器28分别与数据采集仪30相连，所述数据采集仪30发送信号给无线记录操作台31，所述无线记录操作台31与计算机32相连接。所述钢管加热器的长度与电芯长度相等。

所述绝缘柱8的内表面沿轴向刻有沟槽8a，所述热电偶18顺着沟槽8a引到绝缘柱8的中部。

所述密封胶19为环氧胶或者硅胶。可防止电池正负极内部隔膜中所吸附电解液的泄露，使测试结果与真实电池的结果一致。

下面同时结合图1至图4，对利用本实用新型的测定装置进行径向导热系数测定时的过程加以说明，包括以下步骤：

S1、对圆柱电池进行放电至一定的荷电状态，比如放电至10％的荷电，然后在电池脖颈处进行切割去除正极端盖或者负极外壳正对芯轴处开设一内径稍大于芯轴中空尺寸的孔洞A并去除负极极耳16与外壳9的连接；

S2、在圆柱电池芯轴处的中空部分内置圆柱形钢管加热器B，并对钢管加热器B与电池外壳9之间进行密封，将所述钢管加热器B的正负极引线与外部的直流稳压电源连接，通过所述圆柱形钢管加热器B给圆柱电池提供恒定加热功率Q；

S3、在所述钢管加热器内部安装一个热电偶18，沿所述圆柱电池外表面轴向等距贴敷4个温度传感器23，并将所述热电偶18及温度传感器23分别与数据采集仪30相连输出温度信号；

S4、将上述内置钢管加热器的圆柱电池置于温控箱22之内，控制所述温控箱22的初始温度值保持在T_o，通过所述内部加热器给所述圆柱电池加热，外部通过自然对流或风冷散热，记录电池内部温度T_i与温控箱内温度T_o,当圆柱电池内部温度变化为连续5分钟内保持在0.2℃时认为达到稳态，记录稳态电池内部温度T_i与外部温度T_o,获取圆柱电池的内部温度与外部温度之差△T＝T_i-T_o；

S5、根据电池电芯的长度Lo和外径Do，钢管加热器的长度Li、内径Di2、外径Di1、导热系数ki，利用公式即可计算所述圆柱电池的径向导热系数k。

当钢管加热器长度与电芯长度相同时，Li＝Lo，上式简化为

为了降低测试误差，在步骤S2中，所述钢管加热器给圆柱电池加热的时间不低于30s，圆柱电池内部的温升幅度不低于5℃，考虑到圆柱电池的热安全性与热稳定性，其最大内部温度T_i不高于70℃。

如图7为本实施例所获得的动力电池径向导热系数随工况温度的依变关系。在初始温度T₀为10℃，加热功率1.3W时，在自然对流冷却条件经过2400s达到稳态，稳态阶段下电池内部温升大约27℃。所测量的径向导热系数为0.25W/mK。通过调节温控箱初始温度并重复测量过程，可测试不同工况温度下圆柱电池的导热系数。

本实用新型提供的圆柱电池径向导热系数的测量装置，可测试不同工况温度下的圆柱电池径向导热系数，测试结果准确、成本较低、容易实现，可为圆柱电池厂家、电动汽车企业等机构提供可靠的圆柱电池径向导热系数测试数据，并用于电池热管理与热失控防护设计。

以上所述，仅是本实用新型优选实施例的描述说明，并非对本实用新型保护范围的限定，显然，任何熟悉本领域的技术人员基于上述实施例，可轻易想到替换或变化以获得其他实施例，这些均应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种圆柱电池径向导热系数的测定装置，其特征在于：

它包括支架、圆柱电池和数据采集仪，所述支架和圆柱电池设置在温控箱内，

所述圆柱电池安装支架上，圆柱电池在电池脖颈处进行切割去除了正极端盖或者在负极外壳正对芯轴处开设有内径稍大于芯轴中空尺寸的圆柱形孔洞并去除负极极耳与外壳的连接，芯轴中空处放置有圆柱形钢管加热器，所述钢管加热器与圆柱电池最内层的隔膜材料紧密贴合，钢管加热器的端部与电池外壳之间的缝隙内用密封胶填充，钢管加热器通过导线与温控箱外的直流电源相连接，

所述钢管加热器包括电热丝、绝缘柱和中空钢管，所述绝缘柱位于中空钢管内，绝缘柱内安装有一个或者多个热电偶，所述电热丝（7）螺旋缠绕在绝缘柱上，在中空钢管与电热丝之间包裹一层耐高温电绝缘胶带，

电热丝与热电偶从中空钢管的一端或者两端引出，所述热电偶的温度探头在绝缘柱中部穿过绝缘胶带与中空钢管内壁紧密接触，

沿所述圆柱电池外表面轴向等距贴敷数个外部温度传感器，温控箱内安装有检测箱内温度的温度传感器，所述热电偶的引线、外部温度传感器以及温度传感器分别与数据采集仪相连，所述数据采集仪发送信号给无线记录操作台，所述无线记录操作台与计算机相连接。

2.根据权利要求1所述的圆柱电池径向导热系数的测定装置，其特征在于：

所述绝缘柱的内表面沿轴向刻有沟槽，所述热电偶顺着沟槽引到绝缘柱的中部。

3.根据权利要求1所述的圆柱电池径向导热系数的测定装置，其特征在于：

所述外部温度传感器的数量为4个。

4.根据权利要求1所述的圆柱电池径向导热系数的测定装置，其特征在于：

所述密封胶为环氧胶或者硅胶。

5.根据权利要求1所述的圆柱电池径向导热系数的测定装置，其特征在于：

所述圆柱电池通过棉线悬挂在支架上。

6.根据权利要求1所述的圆柱电池径向导热系数的测定装置，其特征在于：

所述中空钢管的壁厚为0.1-0.5mm。

7.根据权利要求1所述的圆柱电池径向导热系数的测定装置，其特征在于：

所述钢管加热器的长度与电芯长度相等。