Experimental Spatial Heat-Flux Characterization of Cylindrical 21700 Lithium-Ion Cells Using a Transverse Heat Flux Sensor

Abstract

Lithium-ion cells used in large battery packs require active thermal management to ensure performance, safety, and cycle life. The design of thermal management systems commonly relies on numerical simulations, where accurate thermal characterization of individual cells is essential. However, verification of cell thermal models remains challenging with conventional temperature-based measurement methods. This thesis investigates the use of a transverse heat flux sensor (THFS) for direct measurement and spatial mapping of heat flux between a cylindrical 21700 lithium-ion cell and a cooling plate. An experimental setup was developed in which the THFS was integrated into an actively cooled aluminium plate, while thermocouples were used as supporting measurements. Heat flux was measured at three axial positions during electrical cycling under controlled operating conditions. The results demonstrate a non-uniform axial heat flux distribution, with up to 30% higher local heat flux measured near the cell terminals compared to the middle region of the cell. The observed behaviour is consistent with increased ohmic losses near the current-collector tab regions. In addition, the experimentally estimated total heat transfer showed good agreement with an independent electrical estimate based on internal resistance. The results indicate that THFS-based measurements provide a viable method for quantitative local thermal characterization of lithium-ion cells. Due to its small thickness, rapid response time, and high sensitivity, the THFS also shows potential for integration into battery systems as an online thermal monitoring tool.

Suurissa akkukokonaisuuksissa käytettävät litiumioniakut edellyttävät aktiivista lämmönhallintaa suorituskyvyn, turvallisuuden ja käyttöiän varmistamiseksi. Lämmönhallintajärjestelmien suunnittelu perustuu perinteisesti numeerisiin simulointeihin, joissa yksittäisten kennojen tarkka lämpötekninen karakterisointi on keskeisessä asemassa. Kennon lämpömallien validointi on kuitenkin edelleen haastavaa perinteisillä lämpötilamittauksiin perustuvilla menetelmillä. Tässä diplomityössä tarkastellaan poikittaisen lämpövuon anturin (THFS, transverse heat flux sensor) soveltuvuutta sylinterimäisen 21700-litiumionikennon ja jäähdytyslevyn välisen lämpövuon suoraan mittaamiseen sekä sen spatiaaliseen kartoittamiseen. Työssä kehitettiin kokeellinen mittausjärjestely, jossa THFS integroitiin aktiivisesti jäähdytettyyn alumiinilevyyn, ja täydentävinä mittausmenetelminä hyödynnettiin termopareja. Lämpövuo mitattiin kolmessa aksiaalisessa kohdassa kennon lataus- ja purkusyklin aikana hallituissa käyttöolosuhteissa. Tulokset osoittivat, että aksiaalinen lämpövuo jakautuu epätasaisesti kennon eri osissa. Kennon napojen läheisyydessä mitattiin paikallisesti enimmillään 30 % suurempi lämpövuo kuin kennon keskiosassa. Havaittu ilmiö on yhdenmukainen sen kanssa, että virrankeräinliuskojen läheisyydessä syntyy suurempia ohmisia häviöitä. Lisäksi kokeellisesti arvioitu kokonaislämmönsiirto vastasi hyvin sisäiseen resistanssiin perustuvaa riippumatonta sähköistä arviota. Tulosten perusteella THFS-mittaukset tarjoavat käyttökelpoisen menetelmän litiumionikennojen paikallisen lämpöteknisen karakterisoinnin kvantitatiiviseen arviointiin. Anturin ohuus, nopea vasteaika ja herkkyys viittaavat lisäksi siihen, että THFS:llä on potentiaalia toimia osana akkujärjestelmien reaaliaikaista lämpöteknistä seurantaa.