鋰亞硫酰氯電池?zé)峥刂蒲芯楷F(xiàn)狀

Pesaran A.A.等介紹了一種用于測量高功率電池模塊的CSC4400型量熱計(jì)，該量熱計(jì)可用于測量最大體積為21cm×39cm×20cm的電池的發(fā)熱功率，測量范圍1W~100W，電池工作溫度-30℃~60℃[11]。Takeuchi E.S.等通過351RA型Tronac微量熱計(jì)和長時(shí)間放電方法估算了低倍率放電Li/BCX電池的發(fā)熱量和容量損失，用于估計(jì)電池壽命[12]。Kalu E.E.等通過測量可逆電動(dòng)勢及開路電壓隨時(shí)間變化率，預(yù)測電池發(fā)熱量，測量了Li/BCX和Li/SOCl2電池的基本熱力學(xué)參數(shù)[13]。Pesaran A.A.等對電動(dòng)車輛和混合電動(dòng)車輛使用的多種電池的熱性能進(jìn)行了研究，用量熱計(jì)得出了電池的產(chǎn)熱量、比熱容，使用紅外熱成像設(shè)備得到電池溫度分布，認(rèn)為電池?zé)嵘陕嗜Q于電池初始充電容量、初始溫度和放電方式，電池內(nèi)部溫度均勻性取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[14]。

圖1 不同電池的比能量與比功率關(guān)系[1][2]

測量電池導(dǎo)熱系數(shù)的基本原理是傅立葉導(dǎo)熱定律。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料在不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)不同，電池的導(dǎo)熱系數(shù)是各向異性的。Cosley M.R. 等測量了棱柱形VRLA電池三個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)，三個(gè)方向?qū)嵯禂?shù)不同主要是由于電池內(nèi)部鉛材料的結(jié)構(gòu)布置[15]。Sheldon R.C.應(yīng)用Tecam TU-15 Tempunit微量熱計(jì)采集的數(shù)據(jù)，建立了鋰電池系統(tǒng)的模型，研究發(fā)現(xiàn)平行于電池電極的方向?qū)嵯禂?shù)較大，而垂直于電極的方向?qū)嵯禂?shù)很小[16]。

綜上所述，電池?zé)嵛锢韰?shù)測量方法很多，通過測量電池?zé)嵛锢韰?shù)可以發(fā)現(xiàn)，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇對熱物理參數(shù)影響很大，而熱物理參數(shù)直接關(guān)系到電池?zé)崽匦?，影響到電池?zé)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/控制">控制方式的選擇和效果。

4 電池?zé)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/控制">控制方式

有關(guān)電池的熱控制措施可以分為兩方面，一方面是著眼于電池內(nèi)部，優(yōu)化電池設(shè)計(jì)，研制適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，從根源上減少電池發(fā)熱量。另一方面著眼于電池外部，優(yōu)化電池和電池組結(jié)構(gòu)，增大換熱面積和傳熱系數(shù)，從而增加電池散熱，同時(shí)使用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對電池進(jìn)行監(jiān)控和熱控制，保證電池的安全[17]。

4.1 電池內(nèi)部熱控制

電池內(nèi)部熱控制可以從傳熱學(xué)、電學(xué)和化學(xué)角度分析。

從傳熱學(xué)角度分析，主要方法是優(yōu)化結(jié)構(gòu)，增大電池內(nèi)部導(dǎo)熱系數(shù)，減小接觸熱阻。具體措施有：采用低壓排氣閥，當(dāng)電池內(nèi)部壓力過高時(shí)，排氣閥打開放氣，起到保證電池安全的作用。圓柱形電池采用空芯設(shè)計(jì)使得電池中熱量均勻擴(kuò)散，減少熱量沿半徑方向的梯度變化，提高散熱效果和耐熱能力?？刂齐姵貎?nèi)部極板裝配松緊度，盡量減小極板間的空隙，提高導(dǎo)熱性能，避免電池內(nèi)部的熱量積累[17][18]。

從電學(xué)角度分析，主要是防止過放電。具體措施有：改進(jìn)集流體結(jié)構(gòu)；卷繞電極的末端有多余的鋰，正常放電時(shí)不會(huì)氧化，而在電池過放電時(shí)可以形成分流，防止過放電引起的安全問題；碳正極的容量冗余設(shè)計(jì)等。

從化學(xué)角度分析，主要是要降低電池內(nèi)部歐姆極化熱。具體措施有：增大極板正對面積和減小極板厚度，降低歐姆內(nèi)阻；采用過量電解液用于傳熱和減少電池極化[7][17][19]。

4.2 電池外部熱控制

從電池外部結(jié)構(gòu)考慮，熱控制方式可分為被動(dòng)熱控、熱電制冷、熱開關(guān)、對流式主動(dòng)熱控、相變熱控等。不同熱控方式定性比較如表1所示，表1為熱控方式的選擇提供了依據(jù)。

熱控制方式的選擇除考慮表中所示各項(xiàng)指標(biāo)外，還要考慮電池結(jié)構(gòu)型式是層狀、棱柱還是卷繞結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度梯度不同，層狀電池?fù)Q熱面積較大，溫度梯度較小，卷繞電池和棱柱電池溫度梯度較大[1]。

表1 不同熱控方式定性比較[15]

4.2.1 電池被動(dòng)熱控制

被動(dòng)熱控方式主要從改善電路及電池外部結(jié)構(gòu)方面考慮。

改善電路結(jié)構(gòu)方面，是系統(tǒng)級對電路進(jìn)行監(jiān)控，防止電池過熱。具體措施可以用熱敏電阻監(jiān)控電池電流、電壓和溫度，保證電池在指定溫度內(nèi)工作，電池組內(nèi)加熔斷絲、聚合物PTC自復(fù)保險(xiǎn)絲等，改善排熱和冷卻性能。為防止電池反充及過放電，可在電子線路中加入肖特基二極管等[20][21]。在電極端子上連接一個(gè)金屬導(dǎo)電片，使短路電流均勻分布于整個(gè)極片上，降低局部高熱的可能性，可以有效增強(qiáng)電池的安全性[17]。

改進(jìn)電池和電池組結(jié)構(gòu)的具體措施有：將電池殼外部做出突起部分，組合時(shí)各單體電池突起互相接觸，凹槽構(gòu)成制冷劑流動(dòng)的空間，由制冷劑對電池進(jìn)行冷卻，如圖2所示[22]。美軍Titan Ⅳ運(yùn)載火箭應(yīng)用的250Ah Li/SOCl2電池使用整體鋁制箱體，用一個(gè)熱控封套蓋在單體電池上來抵消單體電池內(nèi)部壓力，保護(hù)單體電池爆破薄膜，增加電池外表面的輻射面積，如圖3所示[23]?？梢杂梅胖迷陔姵貙又g的熱控平板保證電池組溫度均勻性[24]，Cosley M.R.等開發(fā)了分離的冷卻系統(tǒng)，通過冷板和熱控封套的直接冷卻使電池降溫，并用FlothemTM 進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明熱控封套對降低電池溫度梯度有顯著作用[15] 。

4.2.2 熱電制冷

熱電制冷使用帕爾貼效應(yīng)，在含有P-N結(jié)電偶對的閉合回路中通以直流電，在兩端結(jié)點(diǎn)產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，無運(yùn)動(dòng)部件，工作效率較低，必須合理設(shè)計(jì)電偶對位置防止短路。Parise R.J.在電池內(nèi)部使用熱電制冷，增大了充電過程中的散熱，可以提高充電速度，熱電制冷不僅僅可以用于電池內(nèi)部，也可用于單體電池之間[25]。

圖2文獻(xiàn)[22]電池組設(shè)計(jì) 圖3 文獻(xiàn)[23]電池設(shè)計(jì)