蓄電池設(shè)計(jì)中熱效應(yīng)的探討

胡曙，高根芳，方明學(xué)，李進(jìn)興，郭小群，向孟利

（天能集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，浙江 長(zhǎng)興 313100）

0 引言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，對(duì)電池性能和成本要求越來(lái)越高，電池的輕量化與可靠性設(shè)計(jì)成為提高性能和降低成本的重要途徑。由于電池內(nèi)的匯流排、板柵、極柱等由鉛或鉛合金構(gòu)成的部件，占整個(gè)電池成本的 5%～8%，因此開(kāi)發(fā)出質(zhì)量輕、可靠性高、耐蝕性能好的含鉛部件是降低成本、提升性能的有效途徑。研究表明，板柵形狀、極耳位置、內(nèi)筋條排布對(duì)放電性能有較大影響[1]。匯流排和極柱的尺寸除了滿足充放電壓降要求與耐腐蝕性外，還需要保證大電流充放電時(shí)不熔斷。電池在使用過(guò)程中伴隨有熱效應(yīng)，如果設(shè)計(jì)不合理，將會(huì)引起電池內(nèi)部熱量積累，從而造成電池失效。本文中，筆者采用紅外熱成像技術(shù)，對(duì)極耳、匯流排、極柱、過(guò)橋、極群的熱量產(chǎn)生、傳遞與消除進(jìn)行了研究與探討。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鉛條的熱效應(yīng)測(cè)試

首先，制備待測(cè)鉛條：① 用電解鉛澆鑄長(zhǎng)方體鉛條；② 鉛條經(jīng)修整后，被放在 MECA tech 234自動(dòng)研磨拋光機(jī)上經(jīng)研磨整形，然后用乙酸–乙酸鈉去除氧化物，將鉛條洗凈、干燥；③ 將部分鉛條用環(huán)氧樹(shù)脂密封，待環(huán)氧樹(shù)脂固化后，修整控制環(huán)氧樹(shù)脂包覆的厚度為 3.0 mm ± 0.2 mm，去除兩端環(huán)氧樹(shù)脂，露出未被破壞的電解鉛，去除氧化物，并將其洗凈、干燥。接著，在恒溫 25 ℃，無(wú)強(qiáng)制空氣對(duì)流的封閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用自制的紫銅夾具固定鉛條的兩端，并控制夾具內(nèi)的鉛條長(zhǎng)度為 3.0 mm ± 0.2 mm，測(cè)量夾具間鉛條的長(zhǎng)度。然后，將夾具串聯(lián)在 μC-XCF08 微電池蓄電池循環(huán)充放電測(cè)試儀的回路中，設(shè)置不同的電流恒流放電，用 Fluke Ti125 紅外熱像儀測(cè)量不同放電時(shí)間下鉛條中部的溫度。測(cè)量完畢后，待鉛條冷卻至室溫后，繼續(xù)下一次測(cè)量。

1.2 極群的熱效應(yīng)測(cè)試

解剖 4 正 5 負(fù)結(jié)構(gòu)的 6-DZM-20 成品蓄電池，取出一個(gè)匯流排完整的單格，在正、負(fù)過(guò)橋上分別焊接 3 根銅導(dǎo)線。去除極群一側(cè)的 1 片負(fù)極板，剝開(kāi)隔板，露出正極板；去除極群另側(cè)的 1 片負(fù)板、正板和隔板，露出負(fù)極板；保持極群上其它 3 片正負(fù)極板和隔板完整。將極群和另一個(gè)成品電池串聯(lián)在充放電測(cè)試儀的回路中，設(shè)置不同的電流恒流放電、充電，用紅外熱像儀測(cè)量極板上的溫度。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉛條熱效應(yīng)的分析

2.1.1 鉛條在不同媒質(zhì)中的溫度梯度分布

為了研究極耳、匯流排、極柱、過(guò)橋等鉛連接部件的熱效應(yīng)，對(duì) 2 種不同的普通鉛條與用環(huán)氧樹(shù)脂密封的鉛條，分別持續(xù)通電 5 min，測(cè)得其在不同通電時(shí)間下的紅外成像結(jié)果。由圖 1 和圖 2 可知：無(wú)環(huán)氧樹(shù)脂包覆的鉛條在通電時(shí)，從中間向兩端溫度梯度非常明顯，有中間集中趨勢(shì)，最后從中部熔斷，斷口呈橢圓狀；有環(huán)氧樹(shù)脂包覆的鉛條在通電時(shí)，溫度分布趨向于均勻，中間集中趨勢(shì)降低，最后夾具中的鉛條整體熔斷。

圖1 普通鉛條的紅外成像溫度梯度分布圖

圖2 包覆環(huán)氧樹(shù)脂鉛條的紅外成像溫度梯度分布圖

根據(jù)熱傳導(dǎo)方程式 dQ= -λ?dQ?dT/dx，鉛的導(dǎo)熱系數(shù)為 33.9 W?m-2?K-2[5]，約為銅的 1/12。式中：Q為熱傳導(dǎo)速率，單位 W；A為熱傳導(dǎo)面積，單位m2；dT/dx是物體的溫度梯度，單位 K? m-2；λ是導(dǎo)熱系數(shù)，單位 W?m-2?K-2。銅導(dǎo)熱系數(shù)高且?jiàn)A具表面積大，所以熱量主要通過(guò)夾具散失，鉛條在包覆和未包覆情況下均表現(xiàn)為兩端溫度低。

環(huán)氧樹(shù)脂為熱的不良導(dǎo)體（導(dǎo)熱系數(shù)一般為0.2W?m-2?K-2），所以傳導(dǎo)到環(huán)氧樹(shù)脂上的熱量少，環(huán)氧樹(shù)脂表面的溫度不高，熱量難以通過(guò)輻射和與空氣對(duì)流進(jìn)行傳遞。熱量逐步累積，直至環(huán)氧樹(shù)脂熱分解、變形開(kāi)裂，所以在圖 2 中可見(jiàn)，通電15 s 時(shí)在未被包覆環(huán)氧樹(shù)脂的鉛條兩端的中部的溫度高，通電 5 min 時(shí)在環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)裂處溫度高。

將包覆環(huán)氧樹(shù)脂的鉛條，以不同的電流密度通電 300 s 后斷電，自然降溫。由圖 3 可知，隨著電流密度的增大，鉛條溫升迅速增加。在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到，在鉛條中部溫度達(dá) 140 ℃ 時(shí)，開(kāi)始有環(huán)氧樹(shù)脂冒煙現(xiàn)象，至鉛條中部溫度超過(guò)185℃ 時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂開(kāi)裂。由圖 4 可知，斷電后鉛條降溫的時(shí)間較長(zhǎng)，而測(cè)得無(wú)環(huán)氧樹(shù)脂包覆的鉛條在斷電 2 min內(nèi)溫度即可以降到室溫。

圖3 包覆環(huán)氧樹(shù)脂的鉛條溫升情況

圖4 包覆環(huán)氧樹(shù)脂的鉛條自然降溫情況

將鉛條密封在環(huán)氧樹(shù)脂中，增加了鉛條的機(jī)械強(qiáng)度，減弱了其腐蝕速度，因此設(shè)計(jì)時(shí)可減小厚度和耗鉛量，但環(huán)氧樹(shù)脂嚴(yán)重阻礙了熱量的散失。如果將匯流排整體膠封在電池中，匯流排本身在短時(shí)間內(nèi)的散熱性能基本喪失，在大電流放電使用時(shí)會(huì)嚴(yán)重降低電池的比熱容，匯流排就容易出現(xiàn)熔斷。并且，環(huán)氧樹(shù)脂與鉛條的膨脹系數(shù)差異大，經(jīng)過(guò)多次驟然升溫后，環(huán)氧樹(shù)脂將會(huì)分解、變形，電池的密封性能減弱。在不削弱電池密封性能的情況下，要盡量減少在環(huán)氧樹(shù)脂中的匯流排和過(guò)橋/極柱的長(zhǎng)度，或增大其在環(huán)氧樹(shù)脂中的截面積，防止電池發(fā)生故障。

在電池中與鉛接觸的媒質(zhì)主要有電解液、環(huán)氧樹(shù)脂、蓄電池殼、隔板，均為熱的不良導(dǎo)體（導(dǎo)熱系數(shù)均小于 1 W?m-2?K-2）。當(dāng)與這些低導(dǎo)熱系數(shù)的物體接觸時(shí)，熱量傳遞受阻，使熱量散失困難，因此在進(jìn)行這些鉛連接部件的設(shè)計(jì)時(shí)，須充分考慮其熱量積累因素。

2.1.2 鉛條熱效應(yīng)與散熱面積的關(guān)系

根據(jù)熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流與熱輻射公式可知，傳熱速率與傳熱面積成正比關(guān)系，即增大傳熱表面積，對(duì)熱傳遞有利。使用截面積同為 32.8 mm2，長(zhǎng)度同為 38.4 mm，但表面積分別為 990.7 mm2和1117.4 mm2的鉛條進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得其在不同電流密度下的溫升情況如圖 5 所示。從圖 5 可以看出，當(dāng)散熱表面積越大時(shí)，散熱能力越強(qiáng)，溫升越小。因此，在進(jìn)行匯流排、極柱、過(guò)橋設(shè)計(jì)時(shí)， 對(duì)于相同的截面積，通過(guò)改變截面積長(zhǎng)寬比，增加表面積，可以促進(jìn)散熱，減緩匯流排的溫升。在匯流排上設(shè)置凸臺(tái)，可增加匯流排的散熱表面積和機(jī)械強(qiáng)度。在遠(yuǎn)離過(guò)橋、極柱端，通過(guò)的電流密度小，應(yīng)適當(dāng)減小匯流排的截面積以降低鉛耗。將匯流排兩端的邊極耳折彎，在提高焊接質(zhì)量的同時(shí)，增加極耳外側(cè)的散熱面積，降低匯流排的溫升。

2.1.3 鉛條長(zhǎng)度與熔斷電流密度的關(guān)系

圖5 不同表面積鉛條的溫升時(shí)間曲線

鉛條的溫升與鉛條的發(fā)熱、散熱能力相關(guān)。當(dāng)熱量積累到一定程度后，會(huì)導(dǎo)致鉛連接部件熔斷，造成電池不能使用。在測(cè)試時(shí)逐漸增大電流密度，當(dāng)鉛條在 2～5 min 內(nèi)熔斷時(shí)，發(fā)現(xiàn)熔斷電流與鉛條截面積和長(zhǎng)度的關(guān)系較大，與鉛條的表面積關(guān)系不大，即短時(shí)間大電流放電時(shí)，發(fā)熱占主導(dǎo)地位，散熱效果有限。實(shí)驗(yàn)測(cè)得不包覆環(huán)氧樹(shù)脂的普通鉛條長(zhǎng)度與熔斷電流密度關(guān)系如圖 6 所示。從圖 6 可以看出，隨著鉛條長(zhǎng)度的增加，熔斷電流密度下降。這就是通常電池的過(guò)橋容易熔斷而極耳不易熔斷的原因。與匯流排連接的極板極耳，相對(duì)于匯流排來(lái)說(shuō)，起到散熱翅片的作用，有利于匯流排散熱，因此在設(shè)計(jì)匯流排時(shí)可以考慮適當(dāng)延長(zhǎng)極耳的長(zhǎng)度或?qū)挾?，增大極耳的散熱面積，提高其輔助散熱的性能。

圖6 鉛條長(zhǎng)度與熔斷電流密度的關(guān)系

2.2 極群熱效應(yīng)的分析

對(duì)于 AGM 電池的每個(gè)單格的極群來(lái)說(shuō)，熱量的產(chǎn)生和消除過(guò)程比較復(fù)雜。極群的熱量主要來(lái)自于電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱、電池反應(yīng)的可逆熱、正極氧氣通過(guò)隔板到負(fù)極進(jìn)行反應(yīng)的復(fù)合熱。極群的熱量的消除主要通過(guò)極板的極耳、邊框、電解液等將熱量傳遞到電池外殼，然后散發(fā)到環(huán)境中。當(dāng)極群內(nèi)生成的熱量大于消除的熱量時(shí)，電池將產(chǎn)生熱失控[6]，因此合理地設(shè)計(jì)極群結(jié)構(gòu)顯得非常重要。

2.2.1 極群的溫度梯度分布

將極群放電 10 min 后自然冷卻，用紅外成像儀觀測(cè)放電過(guò)程中極群的溫度分布情況。從圖 7 和圖 8 可知：放電前期，極板溫度不高，溫差不明顯；極耳附近的溫度最高，因此停止放電后，高溫中心從極耳處向極板中部遷移；負(fù)極板的溫度高于正極板的溫度。

電池在正常使用時(shí)，化學(xué)反應(yīng)熱并不大，而且極板的表面積大，散熱能力強(qiáng)，所以在小電流充、放電時(shí)，極板上無(wú)明顯的溫差。由于極耳和其附近的電流密度最大，發(fā)熱量最多，而且鉛的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電池中其他媒質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，因此極耳的熱量主要靠熱傳遞散發(fā)。極耳薄，翅片結(jié)構(gòu)散熱效果好，熱傳遞速度快，極耳附近的溫度就升、降明顯。負(fù)極板的組成主要為海綿狀鉛，因此其導(dǎo)熱系數(shù)高，而且負(fù)極板較薄。正極板較厚，而且相對(duì)于負(fù)極板來(lái)說(shuō)，導(dǎo)熱系數(shù)較低。因此，熱量主要通過(guò)負(fù)極板快速傳遞。極板四框?yàn)殂U合金，熱傳遞速率高，高溫中心逐漸往極板的中部移動(dòng)。對(duì)比正、負(fù)極板自然冷卻 15 min 時(shí)的圖像可知，負(fù)極板四框散熱能力強(qiáng)。極群底部的泡沫板熱傳遞速率慢，影響熱量散失，從而導(dǎo)致在某一時(shí)段極群底部的溫度較高。

圖7 1.33C 放電的正極板表面溫度分布（左側(cè)為負(fù)極耳，右側(cè)為正極耳）

圖8 1.67C 放電的負(fù)極板表面溫度分布（左側(cè)為正極耳，右側(cè)為負(fù)極耳）

2.2.2 極群熱效應(yīng)的實(shí)例解析

解剖正常失效的管式富液電池，取出正極板，小心去除封底；接著，將正極板置于超聲清洗機(jī)中，用低能量的超聲處理 10 min；然后，小心去除排管，清洗鉛芯。由圖 9 可見(jiàn)，在遠(yuǎn)離正極耳的極板上部排管有腐蝕現(xiàn)象，正極耳下部的鉛芯尚有殘余，而遠(yuǎn)離正極耳的下部鉛芯腐蝕嚴(yán)重。

極群中正、負(fù)板間距小，極板從相鄰極板接受到的熱輻射不能忽視。由圖 7、8 可知，極群中高溫點(diǎn)位于極耳中部附近，其他位置發(fā)熱量少，但接受的熱量最多，需要向周圍傳遞熱才能降低溫度。因?yàn)樨?fù)極板的傳熱性能遠(yuǎn)高于有低導(dǎo)熱系數(shù)的排管的正極板，負(fù)極板散熱能力強(qiáng)且能協(xié)助正極板散熱，所以正極耳附近的熱量能較快發(fā)散。由于負(fù)極耳散熱效果好，向外傳遞的熱量最多，與其相鄰的正極板區(qū)域通過(guò)輻射、對(duì)流主要是接收熱量，散熱僅能依靠附近的幾根排管進(jìn)行熱傳導(dǎo)，熱量累積較多，長(zhǎng)期使用后必然出現(xiàn)負(fù)極耳對(duì)面正極板鉛芯先腐蝕。

圖9 失效的管式正極板

在設(shè)計(jì)電池時(shí)，如果將極耳設(shè)計(jì)為靠近極板中部附近，則可降低上邊框的電流梯度，相當(dāng)于減小了極板內(nèi)阻，增加了電池放電性能；但正、負(fù)極耳附近累積的熱量較多，散熱較難，正負(fù)極耳中部附近的平均溫度提高，會(huì)導(dǎo)致極耳附近，及正負(fù)極耳中間的板柵腐蝕速度加快，反而會(huì)降低電池的壽命。如果將極耳設(shè)計(jì)為偏邊，但距邊緣有一定距離，則負(fù)極耳對(duì)面的正極板，可以同時(shí)往熱量中心的左、右兩邊同時(shí)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，可以降低負(fù)極耳對(duì)面的正極板區(qū)域溫度，降低極群平均溫度，減緩板柵腐蝕速度，最終能提高電池的壽命。

3 結(jié)論

蓄電池含鉛部件在通電時(shí)，溫度有中間集中趨勢(shì)，且隨著其長(zhǎng)度的增加，含鉛部件的熔斷電流密度迅速減小。電解液、環(huán)氧樹(shù)脂、蓄電池殼、隔板等是蓄電池比熱容的組成部分，但熱量在其中的傳遞速率遠(yuǎn)比在含鉛部件中低，在設(shè)計(jì)時(shí)要重視含鉛部件與非鉛部件之間熱量傳遞與累積的交叉影響。

在設(shè)計(jì)匯流排、極耳、極柱、過(guò)橋時(shí)，改變截面積長(zhǎng)寬比，延長(zhǎng)極耳的長(zhǎng)度或?qū)挾?，增大其散熱表面積，可以提高大電流下的散熱性能。使用電池時(shí)，正、負(fù)極耳附近的溫度最高，且負(fù)極板溫度高于正極板溫度。極耳位置不宜靠極板中部或緊貼極板邊緣，應(yīng)設(shè)計(jì)為偏邊但不貼邊，這樣可以減緩板柵腐蝕速度，提高電池的壽命。

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