硬壳/方壳电池导热系数及接触热阻参数测定（储热-释放两状态法）

TCA 2SC-080 两状态法热参数分析仪

行业现状与测试的必要性

目前国内外新能源行业对于圆柱和软包电芯的导热系数测试已有较成熟的方案，但针对在新能源汽车及储能系统装机量占比超80%的硬壳（方壳）电池，在不拆解铝壳的情况下，全球长期缺乏直接有效的测试方法和设备[reference:5]。由于间接计算法（如仿真法、热网络模型法）往往因电池内部的多层结构复杂性、材料界面接触、局部形变等引起数倍计算偏差，可能导致仿真的温升预测出现2-5℃甚至更高的偏差[reference:6]。为此，我们引入了基于“储热-释放”两状态法的TCA 2SC-080热参数分析仪，以直接解决不拆壳状态下方壳电芯的高精度原位热物性校准难题。

测试对象的不均匀性与解决方案

方形锂电池是典型的核壳非均质结构：内部由数十层正极、隔膜、负极叠片卷绕构成，外部包裹着高强度金属铝壳[reference:7]。内部卷芯的纵向导热系数（通常仅为面向导热系数的几十分之一）与铝外壳的均质超导特性形成了强烈的热失配，产生了明显的'''壳体热屏蔽效应'''。这意味着大面红外测温感知到的热扩散速度，并不是芯体单独的热表现，而是叠加了铝壳热抹平效应、壳-芯接触热阻和壳底散热速度后产生的耦合信号。这正是传统的平板热流计法或Hot Disk法在方壳电池上失效的本质原因[reference:8]。为了应对热失配，我们构建了由均质金属铝外壳和非均质正交各向异性芯体组成的双层物理模型，通过高阶有限元仿真反演从红外时空测温信号中精准剥离卷芯真实热物性[reference:9]。

储热-释放两状态法的独创性

传统产热设计的核心痛点在于无法区分“卷芯本身到底有多少热阻”以及“壳体和卷芯贴得有多紧密”。我们采用工业级高分辨率红外热像仪来完成非接触式二维测温，从而在一次放热实验中获得至少数千个有效温度记录点。将这一时空温度场代入由电池非均质模型转换的三维非稳态偏微分方程组。“储热-释放”的过程启发了四参数单次同步解耦的算法途径，可同步计算输出：

• 卷芯内部真实的面内导热系数 kin；
• 卷芯纵向贯穿隔膜方向的低导热系数 kcr；
• 大面铝壳与卷芯之间的界面等效换热系数 hxy；
• 冷却底面与卷芯之间的接触换热系数 hyz。

这一独有的多参数同步定量能力，彻底解决了传统单参数非线性回归中因多参数重叠效应无法得到稳定唯一解的瓶颈。

多行业示范测试数据与案例

• 280Ah磷酸铁锂储能电池：内部叠片实测面向导热系数为22-27 W/(m·K)，纵向导热系数仅1.2-1.8 W/(m·K)；导出等效面向与纵向导热系数约为23-25 W/(m·K)和4.6-5.2 W/(m·K)[reference:10]。
• 350Ah超大容量钠电硬壳电池：本设备对钠离子体系同样具有良好的适用性，实测显示350Ah钠电硬壳电池的面向热参数在2.0-2.5 W/(m·K)，而纵向穿透叠片的参数维持在0.3-0.7 W/(m·K)，可支持钠电储能的散热校核和系统设计优化。
• 不同SOC与温度工况的一致性：实测数据如案例应用所示，磷酸铁锂方壳全SOC阶梯（0%→100%）及高低温（-10℃→45℃）条件下导热系数的波动幅度均低于5%，整体等效热参数无显著趋势性差异，为仿真使用恒定材料属性提供了实验依据[reference:11]。
• 主流厂商应用验证：包括派能科技在内的行业头部企业已采用两状态法TCA 2SC-080进行方壳及圆柱电池的导热系数不拆解测试，将该数据作为液冷板设计、系统温差控制（可做到将最大温差由原来的12℃优化至5℃以内）的核心输入[reference:12][reference:13]。
• 标准制定参与：基于上述方法编写的测试规程已被业内组织积极采纳，逐步填补国内电池单体温升期间的换热系数与不拆解热参数一体化测试标准的空白。

用户将获得的完整交付物

• 表达电池卷芯级和总等效级的面向与纵向导热系数表的精准数据报告。
• 标识大面与冷却面壳-芯换热系数的热阻网络参数汇总。
• 红外热图像序列对比、实测与模型预测温度间的残差曲线图及误差≤0.2℃的均方根精度检验结果[reference:14]。
• 三维反演参数误差灵敏度曲线（V形底清晰判定参数置信度）。
• 用于CFD/热仿真直接导入的随温度与核算条件的变量热参数曲线（CSV或XML格式可选）。

关联服务

• 软包电池导热系数测试（3D热物性分析，红外瞬态平面热源法）
• 锂电池宽温域变温比热容测试（差示绝热追踪法）
• 绝热/等温环境充放电产热功率及总产热量测试
• 电池热失控产气测试（ARC-MS/GC联用）
• 电池热模型仿真验证及热管理方案优化

参考标准与文献

• GB/T 36276-2023 电力储能用锂离子电池
• ISO 22007-2 热传导率的测定第2部分：瞬态平面热源法
• ASTM E1461 闪光法测定固体热扩散率标准试验方法
• 崔喜风等. 方形硬壳锂离子动力电池的热物性参数. 中国有色金属学报, 2019, 29(12): 2747-2756[reference:15]
• 吴育新等. 差示绝热追踪的锂电池比热容测试方法研究. 电源技术, 2021

1. 样品准备：记录电芯的尺寸、质量、正极材料、标称电压与容量以及壳体材质。对电池大面及冷却底面进行均匀黑体漆喷涂，确保红外发射率一致且达到0.95以上，并以高精度K型热电偶标定黑体漆正面测温区域，确认红外与接触式测温之间的读数偏差不超过±0.1℃。

2. 装夹与温控对接：将电池置于恒温冷板上面，并通过绝热夹具施加一定压强以模拟模组装配工况，连接循环液冷管路并排出泡，确保接触界面热阻最低化。

3. 储热阶段：将整个测试平台放在恒温环境（如T0=25℃）中静置，直到底面、顶部之间的轴向温差在持续30分钟内的漂移小于0.05℃。

4. 触发放热与信号采集：开启液冷循环，使底面温度从T0快速阶跃下降至T1（例如从25℃降至10℃）。同步启动高分辨率红外热像仪，以≥10 Hz的频率记录方壳大面上下方向的瞬时温度分布和动态变化。

5. 多参数迭代反演：将红外热像仪采集的动态二维温度矩阵数据，传输到反演软件平台，软件依据非均质核壳结构的有限元仿真模型进行多参数循环迭代，同时反演得出极片的本征面向及纵向导热系数、底部及大面换热系数。

6. 等效参数输出：在反演出芯体本征参数的基础之上，结合壳体属性以及对流传热的边界条件，计算出电池单体在整包中所表现的总等效面向与纵向导热系数。若用户计划进行变SOC或变温度点的全工况测试，则切换回储热阶段开始下一个测试循环。

1. 由于热量最终由导热与表面对流两个途径散出，样品大面以外区域（顶部、侧面）必须严格进行绝热处理，以隔绝环境气流的随机扰动和对流干扰导致的红外温度读数漂移。

2. 壳体的热屏蔽效应会使任何基于均匀发热体的常规测试方法彻底失效。本测试方法的参数灵敏度与冷却底面和采样大面之间的温差梯度成正比，请务必确保液冷循环系统能够提供至少10℃以上的阶跃温降。

3. 在开展变SOC测试时，每次调整SOC后必须静置开路电压稳定且电池内部温度恢复到恒温环境后，方可开始储热流程。

4. 测试全程依赖高分辨率红外热像仪进行空间测温，黑体漆氧化或磨损会显著破坏测温精度，建议每次进行连续多日测试前重新进行黑体漆的喷涂处理。

5. 反演软件的迭代基础为正交各向异性热物性假设，为了准确区分正负极与隔膜构成的纵向热阻和面向导热特性，电芯初始安装必须保证在电池大平面上的上下、左右几何对齐符合等效表面假设。