锂亚硫酰氯电池热控制研究现状

Pesaran A.A.等介绍了一种用于测量高功率电池模块的CSC4400型量热计，该量热计可用于测量最大体积为21cm×39cm×20cm的电池的发热功率，测量范围1W~100W，电池工作温度-30℃~60℃[11]。Takeuchi E.S.等通过351RA型Tronac微量热计和长时间放电方法估算了低倍率放电Li/BCX电池的发热量和容量损失，用于估计电池寿命[12]。Kalu E.E.等通过测量可逆电动势及开路电压随时间变化率，预测电池发热量，测量了Li/BCX和Li/SOCl2电池的基本热力学参数[13]。Pesaran A.A.等对电动车辆和混合电动车辆使用的多种电池的热性能进行了研究，用量热计得出了电池的产热量、比热容，使用红外热成像设备得到电池温度分布，认为电池热生成率取决于电池初始充电容量、初始温度和放电方式，电池内部温度均匀性取决于结构设计[14]。

图1 不同电池的比能量与比功率关系[1][2]

测量电池导热系数的基本原理是傅立叶导热定律。由于结构设计及材料在不同方向的导热系数不同，电池的导热系数是各向异性的。Cosley M.R. 等测量了棱柱形VRLA电池三个方向的导热系数，三个方向导热系数不同主要是由于电池内部铅材料的结构布置[15]。Sheldon R.C.应用Tecam TU-15 Tempunit微量热计采集的数据，建立了锂电池系统的模型，研究发现平行于电池电极的方向导热系数较大，而垂直于电极的方向导热系数很小[16]。

综上所述，电池热物理参数测量方法很多，通过测量电池热物理参数可以发现，电池结构设计与材料选择对热物理参数影响很大，而热物理参数直接关系到电池热特性，影响到电池热控制方式的选择和效果。

4 电池热控制方式

有关电池的热控制措施可以分为两方面，一方面是着眼于电池内部，优化电池设计，研制适当的材料和结构，从根源上减少电池发热量。另一方面着眼于电池外部，优化电池和电池组结构，增大换热面积和传热系数，从而增加电池散热，同时使用电池热管理系统对电池进行监控和热控制，保证电池的安全[17]。

4.1 电池内部热控制

电池内部热控制可以从传热学、电学和化学角度分析。

从传热学角度分析，主要方法是优化结构，增大电池内部导热系数，减小接触热阻。具体措施有：采用低压排气阀，当电池内部压力过高时，排气阀打开放气，起到保证电池安全的作用。圆柱形电池采用空芯设计使得电池中热量均匀扩散，减少热量沿半径方向的梯度变化，提高散热效果和耐热能力。控制电池内部极板装配松紧度，尽量减小极板间的空隙，提高导热性能，避免电池内部的热量积累[17][18]。

从电学角度分析，主要是防止过放电。具体措施有：改进集流体结构；卷绕电极的末端有多余的锂，正常放电时不会氧化，而在电池过放电时可以形成分流，防止过放电引起的安全问题；碳正极的容量冗余设计等。

从化学角度分析，主要是要降低电池内部欧姆极化热。具体措施有：增大极板正对面积和减小极板厚度，降低欧姆内阻；采用过量电解液用于传热和减少电池极化[7][17][19]。

4.2 电池外部热控制

从电池外部结构考虑，热控制方式可分为被动热控、热电制冷、热开关、对流式主动热控、相变热控等。不同热控方式定性比较如表1所示，表1为热控方式的选择提供了依据。

热控制方式的选择除考虑表中所示各项指标外，还要考虑电池结构型式是层状、棱柱还是卷绕结构，不同结构导致电池内部温度梯度不同，层状电池换热面积较大，温度梯度较小，卷绕电池和棱柱电池温度梯度较大[1]。

表1 不同热控方式定性比较[15]

4.2.1 电池被动热控制

被动热控方式主要从改善电路及电池外部结构方面考虑。

改善电路结构方面，是系统级对电路进行监控，防止电池过热。具体措施可以用热敏电阻监控电池电流、电压和温度，保证电池在指定温度内工作，电池组内加熔断丝、聚合物PTC自复保险丝等，改善排热和冷却性能。为防止电池反充及过放电，可在电子线路中加入肖特基二极管等[20][21]。在电极端子上连接一个金属导电片，使短路电流均匀分布于整个极片上，降低局部高热的可能性，可以有效增强电池的安全性[17]。

改进电池和电池组结构的具体措施有：将电池壳外部做出突起部分，组合时各单体电池突起互相接触，凹槽构成制冷剂流动的空间，由制冷剂对电池进行冷却，如图2所示[22]。美军Titan Ⅳ运载火箭应用的250Ah Li/SOCl2电池使用整体铝制箱体，用一个热控封套盖在单体电池上来抵消单体电池内部压力，保护单体电池爆破薄膜，增加电池外表面的辐射面积，如图3所示[23]。可以用放置在电池层之间的热控平板保证电池组温度均匀性[24]，Cosley M.R.等开发了分离的冷却系统，通过冷板和热控封套的直接冷却使电池降温，并用FlothemTM 进行了数值模拟，结果表明热控封套对降低电池温度梯度有显著作用[15] 。

4.2.2 热电制冷

热电制冷使用帕尔贴效应，在含有P-N结电偶对的闭合回路中通以直流电，在两端结点产生吸热和放热现象，其特点是结构紧凑，无运动部件，工作效率较低，必须合理设计电偶对位置防止短路。Parise R.J.在电池内部使用热电制冷，增大了充电过程中的散热，可以提高充电速度，热电制冷不仅仅可以用于电池内部，也可用于单体电池之间[25]。

图2文献[22]电池组设计 图3 文献[23]电池设计