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(lǐng)域都為我們提供便利。但是鋰電池使用發(fā)熱是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，本文將就水下設(shè)備用鋰氟化碳-二氧化錳電池工作熱分析進(jìn)行計(jì)算及比較，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足使用要求。

1 鋰氟化碳-二氧化錳電池的溫度場(chǎng)分析

鋰氟化碳-二氧化錳電池（本文以下簡(jiǎn)稱電池）的基本結(jié)構(gòu)為：正極片、負(fù)極片、正負(fù)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(jié)構(gòu)。此種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 LY0879179型電池性能參數(shù)表

本文研究的電池為L(zhǎng)Y0879179型電池。它的性能參數(shù)如表1所示，組成結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)表

由于電池?zé)嵝阅苤饕菣M向和縱向?qū)岵町?。可以把電池?jiǎn)化為一個(gè)整體建模。

LY0879179型電池用到的各種材料的熱力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 電池各種材料的熱力學(xué)參數(shù)表

平均比熱容通過(guò)（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(dǎo)熱系數(shù)通過(guò)（2）確定：

式中：kcell，ki-電池的導(dǎo)熱系數(shù)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)；Li-材料的厚度。

電池的密度ρ=1529.2 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)(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(xué)成分發(fā)生變化，會(huì)影響電池導(dǎo)熱系數(shù)。實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試如表4。

根據(jù)電池測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境確定計(jì)算參數(shù)如下：

表4 鋰電池各種荷電狀態(tài)下測(cè)量的熱力學(xué)參數(shù)表

1）初始條件：假設(shè)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(tài)空氣單向傳熱導(dǎo)熱系數(shù)）、5 W/(m·K)（靜態(tài)空氣簡(jiǎn)化模型）。

3）電池內(nèi)部生成熱：電池的發(fā)熱量可以簡(jiǎn)化為：QZ=I2Rtd（W），不同時(shí)期根據(jù)絕熱溫升折算。

采用ANSYS進(jìn)行單體電池發(fā)熱分析如下：

1）不同放電速率對(duì)電池溫度場(chǎng)均勻性的影響

圖2，圖3，圖4說(shuō)明電池放電速率越快，電池的放電時(shí)間短，電池內(nèi)部的熱量難散發(fā)。

2）不同對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)電池溫度場(chǎng)均勻性的影響

圖5，圖6，圖7說(shuō)明電池溫度越低，電池導(dǎo)熱系數(shù)越大。內(nèi)部熱量傳導(dǎo)到表面的速度越快，造成內(nèi)外溫差越小。

3）不同放電速率對(duì)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(chǎn)生的熱量多，散熱時(shí)間短，電池的溫度高。

4）不同對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)電池最高溫度的影響

圖5，圖6分別表示了0.05C放電時(shí)，電池表面的對(duì)流換熱系數(shù)越大，電池內(nèi)部的熱量就越容易散發(fā)出去，溫度就越低。

圖2 0.02C放電溫度場(chǎng)云圖(h=3.85 W/(m2·K))

圖3 0.03C放電溫度場(chǎng)云圖(h=3.85 W/(m2·K))

為了驗(yàn)證這種計(jì)算鋰電池溫度場(chǎng)的方法的準(zhǔn)確性，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

初始溫度為35℃，電池表面的對(duì)流換熱系數(shù)為3.85 W/(m2·K)。電池采用0.035C恒流放電，可以計(jì)算出放電結(jié)束時(shí)電池溫度場(chǎng)的分布云圖如圖7所示

用試驗(yàn)方法測(cè)量了電池表面溫度的變化情況，將其實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，所得結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較表

說(shuō)明計(jì)算電池溫度場(chǎng)的方法還是比較準(zhǔn)確的。

圖4 0.05C放電溫度場(chǎng)云圖(h=3.85 W/(m2·K))

圖5 0.05C放電溫度場(chǎng)云圖(h=5 W/(m2·K))

圖6 0.05C放電溫度場(chǎng)云圖(h=10 W/(m2·K))

圖7 0.035C放電結(jié)束時(shí)溫度場(chǎng)云圖

2 密閉電池艙段內(nèi)鋰電池組溫度場(chǎng)分析

2.1 構(gòu)造鋰電池組的有限元模型

電池組適用于水下設(shè)備。長(zhǎng)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(jié)構(gòu)龐大，驗(yàn)證費(fèi)用高，用小型化模型進(jìn)行驗(yàn)證，確定熱分析準(zhǔn)確性。

2.2 電池組內(nèi)部熱量

絕熱情況下測(cè)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(chǎn)熱曲線

圖9 模塊小型化模型結(jié)構(gòu)

2.3 小型化模型設(shè)計(jì)

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

2.4 模型網(wǎng)格劃分

目前有限元網(wǎng)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(jié)點(diǎn)單元模型。2）基于幾何模型自動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)單元模型。

基于幾何模型生成網(wǎng)格能極大地提高分析結(jié)果的可信度，同時(shí)也提高有限元網(wǎng)絡(luò)模型的生成速度和分析效率[1]。

基于幾何模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)格，單元數(shù)319583個(gè)。

2.5 邊界條件的確定

電池艙段殼體外壁與海水間的對(duì)流換熱系數(shù)[1]構(gòu)計(jì)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(shí)電池模塊絕熱溫升速度即電池內(nèi)部熱生成率為179.3 W/m3。

2.7 結(jié)果分析

設(shè)定放電開(kāi)始時(shí)電池艙段的溫度為22℃，選取載荷步數(shù)為7步，可以分別計(jì)算出放電過(guò)程中4個(gè)電池模塊組合溫度場(chǎng)的分布情況。

1）電池組合的溫度場(chǎng)

圖10 4模塊電池艙1h、3h、8h、12h、18h、25h及放電結(jié)束時(shí)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(jié)束時(shí)四模塊電池組合的溫度場(chǎng)分別如下圖所示，電池組最高溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖11所示。

圖11 4模塊電池艙放電結(jié)束時(shí)溫度分布示意圖

從圖形可見(jiàn)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(dá)77.32℃，之后溫度基本維持不變直至放電結(jié)束溫度達(dá)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(duì)較低，放電結(jié)束時(shí)電池組溫差圖 19℃左右。

2）實(shí)際放電溫升對(duì)比

制作4模塊電池組合實(shí)際放電測(cè)試，測(cè)量電池模塊溫度及電流曲線如圖12。

由試驗(yàn)曲線可以看到試驗(yàn)中、后期的最高溫度基本和分析結(jié)果吻合。

3 密閉電池艙段內(nèi)鋰電池組不同工作條件比較

3.1 設(shè)備運(yùn)行速率對(duì)表面換熱系數(shù)的影響

設(shè)備為鋁合金圓柱形外殼，在水下運(yùn)行時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向平行于設(shè)備軸向方向。當(dāng)設(shè)備進(jìn)行頻繁加減速運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行速度直接關(guān)系到對(duì)流換熱系數(shù)的變化。

圖12 4模塊電池艙半電態(tài)放電過(guò)程各模塊最高溫度分布示意圖

1）換熱系數(shù)計(jì)算

對(duì)流換熱系數(shù)和表面流動(dòng)形式有關(guān)，計(jì)算時(shí)紊流變?yōu)閷恿?，換熱系數(shù)會(huì)大幅下降。

整個(gè)航速段對(duì)應(yīng)換熱系數(shù)如圖13所示。

圖13 不同航速對(duì)應(yīng)換熱系數(shù)曲線

2）變動(dòng)換熱系數(shù)情況下電池組溫升情況

對(duì)應(yīng)不同航速電池組發(fā)熱功率也有差異，根據(jù)測(cè)試電池工作發(fā)熱量基本滿足平衡電位法即如圖14所示，平衡電位與實(shí)際放電曲線之間間隔即發(fā)熱量。

圖14 平衡電位法計(jì)算發(fā)熱量說(shuō)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(guò)程中發(fā)熱和電壓反相關(guān)，隨電壓上升，發(fā)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(jù)該放電曲線以及放電初始時(shí)刻工作電壓計(jì)算電池工作過(guò)程理論發(fā)熱量，并且根據(jù)橫軸放電能量與放電時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到放電時(shí)間_發(fā)熱比功率曲線如圖16。

圖16 一種工作情況電池發(fā)熱能量曲線

3）電池模塊不一致工作狀態(tài)對(duì)整體散熱影響

電池工作中因?yàn)殡姵販囟鹊挠绊懀煌姵胤烹娨恢滦杂胁町?，溫度較高的電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)會(huì)更快，對(duì)外表現(xiàn)為內(nèi)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(huì)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(fù)荷工作狀態(tài)，其他3個(gè)模塊工作電流均分剩余輸出電流。

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

發(fā)熱功率密度計(jì)算如圖17所示：

圖17 4不同電流工作時(shí)各電池模塊發(fā)熱功率曲線

圖18 4模塊組合發(fā)熱分析效果溫度分布圖

此種情況電池組的發(fā)熱情況分析結(jié)果如下。

各模塊工作情況。2#模塊設(shè)定為大電流工作模塊，前期主要對(duì)外輸出，同時(shí)前期發(fā)熱量也較高，其他1#，3#，4#模塊為小電流工作模塊，前期對(duì)外輸出較低，后期對(duì)外輸出。整個(gè)試驗(yàn)電池組合在工作1 h時(shí)溫度達(dá)到最高值，第二個(gè)模塊上表面溫度達(dá)到100℃，同時(shí)1#，3#，4#模塊最高溫度約40℃。之后由于工作功率降低，發(fā)熱量逐漸減小，整體溫度有所下降。最終放電結(jié)束時(shí)3#模塊最高溫度穩(wěn)定在 63℃。2#模塊溫度約為 40℃，電池組合內(nèi)部最高溫度曲線如圖19所示。

4 密閉電池艙段內(nèi)鋰電池組優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)

4.1 電池組熱量主要影響要素

電池組設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)電池組熱量有很大影響，主要涉及熱量產(chǎn)生以及熱量散失兩個(gè)方面。熱量產(chǎn)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(nèi)的對(duì)流。

圖19 4模塊組合內(nèi)部最高溫度曲線

4.2 電池組使用特征

電池組根據(jù)電池設(shè)計(jì)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(dòng)會(huì)較大，而且多為惡性循環(huán)，造成安全隱患。

電池組熱量傳導(dǎo)到殼體的途徑是整個(gè)熱量通道的一個(gè)瓶頸，接觸部位小，選用鋁合金結(jié)構(gòu)件，增強(qiáng)了傳熱效果。艙室內(nèi)對(duì)流散熱直接影響散熱效果。在強(qiáng)制對(duì)流條件下選取10 W/m2·K進(jìn)行分析計(jì)算。

4.3 電池組熱設(shè)計(jì)方向

電池組設(shè)計(jì)要求滿足低于90℃的溫度指標(biāo)。

4.4 電池組熱設(shè)計(jì)思路

對(duì)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(shè)計(jì)。主要為電池組風(fēng)扇設(shè)計(jì)，電池組結(jié)構(gòu)件散熱設(shè)計(jì)。

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(dǎo)熱硅膠墊可以起到增大傳熱接觸面積，避免接觸間隙內(nèi)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(jìn)行一些傳熱方向的隔絕，進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，滿足電池單元或模塊間熱量不會(huì)相互傳遞。

4.5 電池組熱設(shè)計(jì)實(shí)施方案

電池組熱設(shè)計(jì)根據(jù)基本的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)件使用高吸熱性，高導(dǎo)熱性設(shè)計(jì)。電池單元內(nèi)部采用高效導(dǎo)熱材料進(jìn)行均熱處理。電池模塊間進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)。電池組進(jìn)行風(fēng)冷設(shè)計(jì)，起到整體均熱效果。

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

電池單元內(nèi)部單體電池和電池夾板間在保證絕緣的基礎(chǔ)上，盡量降低接觸熱阻。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用導(dǎo)熱膠墊，可以保證絕緣與導(dǎo)熱兼?zhèn)洹８邔?dǎo)熱性在熱量分析計(jì)算時(shí)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(fā)熱功率。

電池艙內(nèi)為了提高傳熱效率，增加內(nèi)部風(fēng)扇來(lái)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(gè)固定的間隙，可以在相應(yīng)位置設(shè)置風(fēng)扇，促進(jìn)內(nèi)部氣體在該間隙內(nèi)部運(yùn)動(dòng)形成環(huán)流。電池組這樣的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為模塊邊緣的循環(huán)風(fēng)冷散熱。

風(fēng)扇位置安裝于電池模塊底部推動(dòng)氣流沿電池組與電池艙之間間隙形成環(huán)狀氣流，電池組兩側(cè)滑軌處由于軸承座的阻擋，部分氣流可以進(jìn)入電池模塊內(nèi)部間隙，形成內(nèi)部環(huán)流如圖20所示。

為控制風(fēng)向，風(fēng)扇采用軸流風(fēng)扇，并確認(rèn)電池模型內(nèi)部各個(gè)部位均有有效氣流流動(dòng)。按照電池組氣體流動(dòng)模擬電池組最惡劣工況工作溫升，進(jìn)行ANSYS溫升測(cè)試，電池組最高溫度約69℃，如圖21所示，滿足溫升基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)合理。

圖20 電池組合內(nèi)部循環(huán)風(fēng)流向圖

圖21 電池組合循環(huán)風(fēng)風(fēng)冷情況下工作溫度云圖

5 結(jié)束語(yǔ)

鋰電池行業(yè)是當(dāng)今一個(gè)重要的行業(yè)，科研、生產(chǎn)等各方面引入工業(yè)成熟的技術(shù)與工具，可以快速提高鋰電池技術(shù)能力，提高我國(guó)鋰電池技術(shù)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王春鵬. 密閉電池艙段內(nèi)鋰電池?zé)岱治鯷D]. 陜西西安:西北工業(yè)大學(xué), 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(yīng)用[J]. 冶金能源, 2004, 23(5): 9-12.