鋰氟化碳-二氧化錳電池組熱分析

張彥輝

（天津力神特種電源科技股份公司，天津300384）

0 引言

鋰電池作為一種重要的能源，在各領域都為我們提供便利。但是鋰電池使用發熱是一個嚴重的問題，本文將就水下設備用鋰氟化碳-二氧化錳電池工作熱分析進行計算及比較，經過優化設計滿足使用要求。

1 鋰氟化碳-二氧化錳電池的溫度場分析

鋰氟化碳-二氧化錳電池（本文以下簡稱電池）的基本結構為：正極片、負極片、正負極集流體、隔膜紙以及外殼等。

本文涉及的電池為軟包聚合物結構。此種電池內部結構如圖1所示。

表1 LY0879179型電池性能參數表

本文研究的電池為LY0879179型電池。它的性能參數如表1所示，組成結構參數如表2所示：

圖1 電池的橫截面示意圖

表2 LY0879179型電池組成結構參數表

由于電池熱性能主要是橫向和縱向導熱差異。可以把電池簡化為一個整體建模。

LY0879179型電池用到的各種材料的熱力學參數如表3所示。

表3 電池各種材料的熱力學參數表

平均比熱容通過（1）確定：

式中：ρ，ρi-電池的密度，材料的密度；Ccell，Ci-電池的比熱容，材料的比熱容；Vi-材料的體積。

平均導熱系數通過（2）確定：

式中：kcell，ki-電池的導熱系數，材料的導熱系數；Li-材料的厚度。

電池的密度ρ=1529.2 kg/m3，導熱系數(Z向)kcell=0.66 W/(m·K)，比熱容ccell=1.44 J/(g·K)。

隨電池放電，電池化學成分發生變化，會影響電池導熱系數。實際導熱系數測試如表4。

根據電池測試的標準環境確定計算參數如下：

表4 鋰電池各種荷電狀態下測量的熱力學參數表

1）初始條件：假設電池放電以前溫度為300 K。

2）邊界條件：選取3.85 W/(m·K)（靜態空氣單向傳熱導熱系數）、5 W/(m·K)（靜態空氣簡化模型）。

3）電池內部生成熱：電池的發熱量可以簡化為：QZ=I2Rtd（W），不同時期根據絕熱溫升折算。

采用ANSYS進行單體電池發熱分析如下：

1）不同放電速率對電池溫度場均勻性的影響

圖2，圖3，圖4說明電池放電速率越快，電池的放電時間短，電池內部的熱量難散發。

2）不同對流換熱系數對電池溫度場均勻性的影響

圖5，圖6，圖7說明電池溫度越低，電池導熱系數越大。內部熱量傳導到表面的速度越快，造成內外溫差越小。

3）不同放電速率對電池最高溫度的影響

從圖2，圖3中可以看出電池放電速率越快，產生的熱量多，散熱時間短，電池的溫度高。

4）不同對流換熱系數對電池最高溫度的影響

圖5，圖6分別表示了0.05C放電時，電池表面的對流換熱系數越大，電池內部的熱量就越容易散發出去，溫度就越低。

圖2 0.02C放電溫度場云圖(h=3.85 W/(m2·K))

圖3 0.03C放電溫度場云圖(h=3.85 W/(m2·K))

為了驗證這種計算鋰電池溫度場的方法的準確性，與試驗結果進行了比較。

初始溫度為35℃，電池表面的對流換熱系數為3.85 W/(m2·K)。電池采用0.035C恒流放電，可以計算出放電結束時電池溫度場的分布云圖如圖7所示

用試驗方法測量了電池表面溫度的變化情況，將其實驗結果與計算結果進行比較，所得結果如表5所示。

表5 試驗結果與計算結果的比較表

說明計算電池溫度場的方法還是比較準確的。

圖4 0.05C放電溫度場云圖(h=3.85 W/(m2·K))

圖5 0.05C放電溫度場云圖(h=5 W/(m2·K))

圖6 0.05C放電溫度場云圖(h=10 W/(m2·K))

圖7 0.035C放電結束時溫度場云圖

2 密閉電池艙段內鋰電池組溫度場分析

2.1 構造鋰電池組的有限元模型

電池組適用于水下設備。長度約3 m，截面為直徑460 mm近似圓柱。工作電壓為305 V直流電，平均功率3.7 kW，峰值功率5.9 kW。

電池組結構龐大，驗證費用高，用小型化模型進行驗證，確定熱分析準確性。

2.2 電池組內部熱量

絕熱情況下測量的單體電池溫升曲線，電池工況為3.2 W恒功率放電。

圖8 電池工作產熱曲線

圖9 模塊小型化模型結構

2.3 小型化模型設計

選取4模塊電池組合建立小型化模型，可以基本得出試驗數據。模擬電池艙裝配效果如圖 9，殼體材料主要為鋁合金，內部電池模塊和殼體通過滑軌接觸定位，接觸為面接觸型，接觸面較小。

2.4 模型網格劃分

目前有限元網格的生成基本可以分為兩種類型：1）不基于幾何模型直接建立節點單元模型。2）基于幾何模型自動生成節點單元模型。

基于幾何模型生成網格能極大地提高分析結果的可信度，同時也提高有限元網絡模型的生成速度和分析效率[1]。

基于幾何模型進行網絡劃分主要有三種方法：映射法、掃掠法和自由法[2]。

電池模型按照自由法劃分網格，單元數319583個。

2.5 邊界條件的確定

電池艙段殼體外壁與海水間的對流換熱系數[1]構計算為 450.9 W/(m2·K)。

2.6 載荷的確定和施加

電池最大工作電流時電池模塊絕熱溫升速度即電池內部熱生成率為179.3 W/m3。

2.7 結果分析

設定放電開始時電池艙段的溫度為22℃，選取載荷步數為7步，可以分別計算出放電過程中4個電池模塊組合溫度場的分布情況。

1）電池組合的溫度場

圖10 4模塊電池艙1h、3h、8h、12h、18h、25h及放電結束時溫度分布示意圖

放電1 h后，3 h后，8 h后，12 h后，18 h后，25 h后和結束時四模塊電池組合的溫度場分別如下圖所示，電池組最高溫度隨時間變化的曲線如圖11所示。

圖11 4模塊電池艙放電結束時溫度分布示意圖

從圖形可見放電 1 h后電池組的最高溫度為47.36℃；12 h后溫度升高到 66.58℃，18 h達77.32℃，之后溫度基本維持不變直至放電結束溫度達到 81.21℃。隨著放電深度的不斷增加，電池組溫度的均勻性就越差；靠近電池艙段殼體的電池的溫度相對較低，放電結束時電池組溫差圖 19℃左右。

2）實際放電溫升對比

制作4模塊電池組合實際放電測試，測量電池模塊溫度及電流曲線如圖12。

由試驗曲線可以看到試驗中、后期的最高溫度基本和分析結果吻合。

3 密閉電池艙段內鋰電池組不同工作條件比較

3.1 設備運行速率對表面換熱系數的影響

設備為鋁合金圓柱形外殼，在水下運行時，運動方向平行于設備軸向方向。當設備進行頻繁加減速運行時，運行速度直接關系到對流換熱系數的變化。

圖12 4模塊電池艙半電態放電過程各模塊最高溫度分布示意圖

1）換熱系數計算

對流換熱系數和表面流動形式有關，計算時紊流變為層流，換熱系數會大幅下降。

整個航速段對應換熱系數如圖13所示。

圖13 不同航速對應換熱系數曲線

2）變動換熱系數情況下電池組溫升情況

對應不同航速電池組發熱功率也有差異，根據測試電池工作發熱量基本滿足平衡電位法即如圖14所示，平衡電位與實際放電曲線之間間隔即發熱量。

圖14 平衡電位法計算發熱量說明

在電池的各種工作要求中，選取一種工況放電曲線，電池的電壓如圖15，電池平衡電位為初始放電的3.12 V，過程中發熱和電壓反相關，隨電壓上升，發熱量也有所減小，直至停止。

圖15 一種工作情況電池電壓曲線

根據該放電曲線以及放電初始時刻工作電壓計算電池工作過程理論發熱量，并且根據橫軸放電能量與放電時間進行轉換，得到放電時間_發熱比功率曲線如圖16。

圖16 一種工作情況電池發熱能量曲線

3）電池模塊不一致工作狀態對整體散熱影響

電池工作中因為電池溫度的影響，不同電池放電一致性有差異，溫度較高的電池內部化學反應會更快，對外表現為內阻更小，放電性能更高。而每一只電池總能量一致，前期放電較多后期放電會較少。

指定其中溫度比較高的中部模塊工作電流為最大或全負荷工作狀態，其他3個模塊工作電流均分剩余輸出電流。

根據平衡電位法計算電池模塊兩種模式工作的發熱量，根據電池體積折合為發熱功率密度，其中大電流電池前期滿負荷工作，其余電池在大電流電池能量耗盡后工作。

發熱功率密度計算如圖17所示：

圖17 4不同電流工作時各電池模塊發熱功率曲線

圖18 4模塊組合發熱分析效果溫度分布圖

此種情況電池組的發熱情況分析結果如下。

各模塊工作情況。2#模塊設定為大電流工作模塊，前期主要對外輸出，同時前期發熱量也較高，其他1#，3#，4#模塊為小電流工作模塊，前期對外輸出較低，后期對外輸出。整個試驗電池組合在工作1 h時溫度達到最高值，第二個模塊上表面溫度達到100℃，同時1#，3#，4#模塊最高溫度約40℃。之后由于工作功率降低，發熱量逐漸減小，整體溫度有所下降。最終放電結束時3#模塊最高溫度穩定在 63℃。2#模塊溫度約為 40℃，電池組合內部最高溫度曲線如圖19所示。

4 密閉電池艙段內鋰電池組優化散熱設計

4.1 電池組熱量主要影響要素

電池組設計結構對電池組熱量有很大影響，主要涉及熱量產生以及熱量散失兩個方面。熱量產生主要影響因素為電池電流；熱量散失方面主要熱量散失到水中，以及艙內的對流。

圖19 4模塊組合內部最高溫度曲線

4.2 電池組使用特征

電池組根據電池設計原理一般采用先串后并組合，各支路電流受異常因素影響波動會較大，而且多為惡性循環，造成安全隱患。

電池組熱量傳導到殼體的途徑是整個熱量通道的一個瓶頸，接觸部位小，選用鋁合金結構件，增強了傳熱效果。艙室內對流散熱直接影響散熱效果。在強制對流條件下選取10 W/m2·K進行分析計算。

4.3 電池組熱設計方向

電池組設計要求滿足低于90℃的溫度指標。

4.4 電池組熱設計思路

對電池組熱量的主要影響因素除工作電流以外其他的主要為散熱設計。主要為電池組風扇設計，電池組結構件散熱設計。

輔助傳熱措施可以提高熱傳遞效率，降低熱阻。接觸部位加導熱硅膠墊可以起到增大傳熱接觸面積，避免接觸間隙內有空氣層隔熱情況。

控制傳熱方向可以使電池組溫度均勻。局部熱量傳遞控制需要進行一些傳熱方向的隔絕，進行隔熱設計，滿足電池單元或模塊間熱量不會相互傳遞。

4.5 電池組熱設計實施方案

電池組熱設計根據基本的產品結構設計作為基礎，結構件使用高吸熱性，高導熱性設計。電池單元內部采用高效導熱材料進行均熱處理。電池模塊間進行隔熱設計。電池組進行風冷設計，起到整體均熱效果。

電池夾板采用鋁合金材料，表面進行氧化處理，處理顏色為黑色。鋁合金材料本身導熱性很高，可以對電池的熱量快速傳遞。表面黑色可以對熱輻射有更好的吸收效果。溫度較高時提高了吸熱效果。

電池單元內部單體電池和電池夾板間在保證絕緣的基礎上，盡量降低接觸熱阻。結構設計時采用導熱膠墊，可以保證絕緣與導熱兼備。高導熱性在熱量分析計算時可以忽略。而一定的厚度可以增加電池包整體空間，降低單位體積發熱功率。

電池艙內為了提高傳熱效率，增加內部風扇來提高電池組表面熱交換。電池組適配的圓筒狀的電池艙，兩者中間有一個固定的間隙，可以在相應位置設置風扇，促進內部氣體在該間隙內部運動形成環流。電池組這樣的散熱結構設計為模塊邊緣的循環風冷散熱。

風扇位置安裝于電池模塊底部推動氣流沿電池組與電池艙之間間隙形成環狀氣流，電池組兩側滑軌處由于軸承座的阻擋，部分氣流可以進入電池模塊內部間隙，形成內部環流如圖20所示。

為控制風向，風扇采用軸流風扇，并確認電池模型內部各個部位均有有效氣流流動。按照電池組氣體流動模擬電池組最惡劣工況工作溫升，進行ANSYS溫升測試，電池組最高溫度約69℃，如圖21所示，滿足溫升基準，設計合理。

圖20 電池組合內部循環風流向圖

圖21 電池組合循環風風冷情況下工作溫度云圖

5 結束語

鋰電池行業是當今一個重要的行業，科研、生產等各方面引入工業成熟的技術與工具，可以快速提高鋰電池技術能力，提高我國鋰電池技術的整體競爭力。

參考文獻：

[1]王春鵬. 密閉電池艙段內鋰電池熱分析[D]. 陜西西安:西北工業大學, 2007.

[2]張建峰, 王翠玲, 吳玉萍, 顧明. ANSYS有限元分析軟件在熱分析中的應用[J]. 冶金能源, 2004, 23(5): 9-12.