圓柱18650型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池散熱強(qiáng)化研究

薛秀麗

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車技術(shù)工程系，云南 昆明 650203）

關(guān)鍵字：空氣冷卻；動(dòng)力電池；散熱強(qiáng)化

前言

1 動(dòng)力電池技術(shù)的實(shí)現(xiàn)邏輯

動(dòng)力電池的性能直接影響新能源汽車的續(xù)航里程、壽命、整車性能及安全。在動(dòng)力電池充放電的過(guò)程中伴隨著電化學(xué)反應(yīng)熱，如不能有效管理電池的散熱問(wèn)題，特別是在大電流充放電的過(guò)程中容易產(chǎn)生熱量的積聚效應(yīng)，不僅制約著電池性能發(fā)揮，更重要的是散熱不及時(shí)的情況下可能導(dǎo)致電池漏液、放氣、冒煙等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生燃燒和爆炸，直接影響新能源汽車的安全。故動(dòng)力電池的熱管理不僅直接影響電池的電學(xué)性能和可靠性，更是保證新能源汽車安全的核心問(wèn)題之一，本文以圓柱18650型磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為研究對(duì)象，對(duì)產(chǎn)熱集聚效應(yīng)和散熱強(qiáng)化方式予以探究。

動(dòng)力電池組是由單體電池按照一定的串并聯(lián)而組成。單體電池的由正極板、負(fù)極板、隔板和電解液組成，而新能源汽車動(dòng)力電池是按照電壓、電流等物理技術(shù)要求，將多單體電池通過(guò)一定的技術(shù)手段串并聯(lián)構(gòu)成了動(dòng)力電池包。多節(jié)單體電池的串聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)高電壓，并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)大電流和大容量以此滿足新能源汽車隊(duì)對(duì)電壓、電流和容量等電學(xué)性能的技術(shù)要求。

不同動(dòng)力電池包的電學(xué)性能計(jì)算方式不同，但遵循串聯(lián)電流不變電壓相加，并聯(lián)電壓不變電流相加原則，以此為例：

單體電池（電芯）：

電壓V，電流I，容量C；

電池模組（n節(jié)串聯(lián)后并聯(lián)m組）：

模組電壓 Vn=V×n，模組電流 Im=I×m，模組容量Cnm=C×n×m；

電池包（N個(gè)模組串聯(lián)）：

電池包電壓 VN=Vn×N，電池包電流 IN=Im，電池包容量CN=Cnm×N；

圖1 某電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包

2 18650單體電池產(chǎn)熱機(jī)理

單體電池從結(jié)構(gòu)上主要包括圓柱形、方形和紐扣形等，其中18650磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為直徑為18mm、高65mm的圓柱形結(jié)構(gòu)，在新能源汽車動(dòng)力電池中廣泛使用。單體電池主要由正極板組、負(fù)極板組、隔板和電解液等組成。

圖2 鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)解剖圖

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的正極活性物質(zhì)LiFePO4，負(fù)極活性物質(zhì)是石墨碳素材料，電化學(xué)反應(yīng)原理為，正負(fù)極之間使用有機(jī)溶劑作為電解質(zhì)。

充放電過(guò)程：

正極反應(yīng)：LiFePO4?Li1-xFePO4+xLi++xe-；

負(fù)極反應(yīng)：xLi++xe-+6C?LixC6；

總反應(yīng)方程式：LiFePO4+6xC?Li1-xFePO4+LixC6

圖3 磷酸鐵鋰電池電化學(xué)反應(yīng)式[1]

通過(guò)對(duì)鋰離子內(nèi)部物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明正負(fù)極材料、粘接劑、電解質(zhì)與電解液相互之間存在放熱反應(yīng)[2]，同時(shí)在電池充放電過(guò)程中，由于電池內(nèi)阻的存在焦耳熱生成，及副反應(yīng)產(chǎn)熱等。

電池產(chǎn)熱：Q=Qr+Qp+Qs+Qj[3]

其中Qr電池反應(yīng)熱、Qp電池極化熱、Qs電池副反應(yīng)熱、Qj為充放電焦耳熱，在電池不同充放電狀態(tài)下各產(chǎn)熱機(jī)理所占比重不一樣。如不對(duì)電池的產(chǎn)熱速率、電池?zé)崛鄣扔行y(cè)算和管理，不僅會(huì)導(dǎo)致電池電學(xué)性能惡化，甚至?xí)?dǎo)致電池燃燒及爆炸影響新能源汽車的安全。

3 動(dòng)力電池的熱管理

動(dòng)力電池?zé)峁芾淼哪康牟粌H僅是有效控制高溫，同時(shí)也對(duì)低溫條件下電池的環(huán)境溫度管理提出了要求，保證動(dòng)力電池工作在溫度穩(wěn)定的合理區(qū)間。動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)從不同角度分類方式不同，從熱管理系統(tǒng)所采用介質(zhì)的不同可以分為空氣介子、液體介子和相變材料等。

空氣冷卻方式又包括自然對(duì)流冷卻和強(qiáng)制對(duì)流冷卻，因此設(shè)計(jì)合理的對(duì)流換熱結(jié)構(gòu)有助于解決動(dòng)力電池因熱控制導(dǎo)致的電性能降低及熱失控安全風(fēng)險(xiǎn)。目前采用：

圖4 空氣串行冷卻方式[4]

圖5 空氣并行冷卻方式[4]

串行冷卻空氣從一側(cè)進(jìn)另一側(cè)出，空氣在流動(dòng)的過(guò)程中不斷的與電池?fù)Q熱攜帶容量，導(dǎo)致出口側(cè)冷卻能力不足，同時(shí)背風(fēng)面流動(dòng)不足導(dǎo)致冷卻能力受限。而并行冷卻的進(jìn)排氣通道短，四周受風(fēng)一致空氣冷卻效果基本一致，電池組溫度分布較均勻，筆者設(shè)想一種交錯(cuò)型并行冷卻方式提升電池包的單節(jié)個(gè)數(shù)，同時(shí)提升模組容量和換熱強(qiáng)度。

圖6 空氣新型冷卻方式結(jié)構(gòu)圖

新型冷卻方式實(shí)際是沿軸向的并行和串行的交錯(cuò)型，這種設(shè)計(jì)的突出優(yōu)點(diǎn)在于克服了串行冷卻方式背風(fēng)面大，冷卻不足的問(wèn)題，而突出并行冷卻方式的軸向背風(fēng)面小，流動(dòng)阻力小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)利用交錯(cuò)位置的旋流充分冷卻流道的背風(fēng)面，保證電池局部過(guò)熱現(xiàn)象降低，避免了熱失控。