圆柱18650型磷酸铁锂动力电池散热强化研究

薛秀丽

（云南机电职业技术学院 汽车技术工程系，云南 昆明 650203）

关键字：空气冷却；动力电池；散热强化

前言

1 动力电池技术的实现逻辑

动力电池的性能直接影响新能源汽车的续航里程、寿命、整车性能及安全。在动力电池充放电的过程中伴随着电化学反应热，如不能有效管理电池的散热问题，特别是在大电流充放电的过程中容易产生热量的积聚效应，不仅制约着电池性能发挥，更重要的是散热不及时的情况下可能导致电池漏液、放气、冒烟等现象，严重时甚至发生燃烧和爆炸，直接影响新能源汽车的安全。故动力电池的热管理不仅直接影响电池的电学性能和可靠性，更是保证新能源汽车安全的核心问题之一，本文以圆柱18650型磷酸铁锂动力电池为研究对象，对产热集聚效应和散热强化方式予以探究。

动力电池组是由单体电池按照一定的串并联而组成。单体电池的由正极板、负极板、隔板和电解液组成，而新能源汽车动力电池是按照电压、电流等物理技术要求，将多单体电池通过一定的技术手段串并联构成了动力电池包。多节单体电池的串联可以实现高电压，并联可以实现大电流和大容量以此满足新能源汽车队对电压、电流和容量等电学性能的技术要求。

不同动力电池包的电学性能计算方式不同，但遵循串联电流不变电压相加，并联电压不变电流相加原则，以此为例：

单体电池（电芯）：

电压V，电流I，容量C；

电池模组（n节串联后并联m组）：

模组电压 Vn=V×n，模组电流 Im=I×m，模组容量Cnm=C×n×m；

电池包（N个模组串联）：

电池包电压 VN=Vn×N，电池包电流 IN=Im，电池包容量CN=Cnm×N；

图1 某电动汽车动力电池包

2 18650单体电池产热机理

单体电池从结构上主要包括圆柱形、方形和纽扣形等，其中18650磷酸铁锂动力电池为直径为18mm、高65mm的圆柱形结构，在新能源汽车动力电池中广泛使用。单体电池主要由正极板组、负极板组、隔板和电解液等组成。

图2 锂电池内部结构解剖图

磷酸铁锂动力电池的正极活性物质LiFePO4，负极活性物质是石墨碳素材料，电化学反应原理为，正负极之间使用有机溶剂作为电解质。

充放电过程：

正极反应：LiFePO4⇔Li1-xFePO4+xLi++xe-；

负极反应：xLi++xe-+6C⇔LixC6；

总反应方程式：LiFePO4+6xC⇔Li1-xFePO4+LixC6

图3 磷酸铁锂电池电化学反应式[1]

通过对锂离子内部物质的电化学反应进行研究，研究结果表明正负极材料、粘接剂、电解质与电解液相互之间存在放热反应[2]，同时在电池充放电过程中，由于电池内阻的存在焦耳热生成，及副反应产热等。

电池产热：Q=Qr+Qp+Qs+Qj[3]

其中Qr电池反应热、Qp电池极化热、Qs电池副反应热、Qj为充放电焦耳热，在电池不同充放电状态下各产热机理所占比重不一样。如不对电池的产热速率、电池热熔等有效测算和管理，不仅会导致电池电学性能恶化，甚至会导致电池燃烧及爆炸影响新能源汽车的安全。

3 动力电池的热管理

动力电池热管理的目的不仅仅是有效控制高温，同时也对低温条件下电池的环境温度管理提出了要求，保证动力电池工作在温度稳定的合理区间。动力电池的热管理系统从不同角度分类方式不同，从热管理系统所采用介质的不同可以分为空气介子、液体介子和相变材料等。

空气冷却方式又包括自然对流冷却和强制对流冷却，因此设计合理的对流换热结构有助于解决动力电池因热控制导致的电性能降低及热失控安全风险。目前采用：

图4 空气串行冷却方式[4]

图5 空气并行冷却方式[4]

串行冷却空气从一侧进另一侧出，空气在流动的过程中不断的与电池换热携带容量，导致出口侧冷却能力不足，同时背风面流动不足导致冷却能力受限。而并行冷却的进排气通道短，四周受风一致空气冷却效果基本一致，电池组温度分布较均匀，笔者设想一种交错型并行冷却方式提升电池包的单节个数，同时提升模组容量和换热强度。

图6 空气新型冷却方式结构图

新型冷却方式实际是沿轴向的并行和串行的交错型，这种设计的突出优点在于克服了串行冷却方式背风面大，冷却不足的问题，而突出并行冷却方式的轴向背风面小，流动阻力小的优点。同时利用交错位置的旋流充分冷却流道的背风面，保证电池局部过热现象降低，避免了热失控。