被动热管理优化锂离子电池组性能

文章作者:Steve Wener

如果设计和制造得当，锂离子电池组是非常可靠的，通常会达到人们对它们的崇高期望。然而，当暴露在某些事件或条件下时，锂离子电池组可能会出现性能下降甚至故障。

电气或机械滥用、电池制造缺陷和不利的热条件都可能导致锂离子电池组出现问题。其中，不利的热条件可能是电池组性能低于标准的最常见原因。这篇文章解释了锂离子电池组的被动式热管理如何促进最佳电池组性能。介绍了一些实用、有效的被动式热管理技术。

虽然一些锂离子电池组只使用一个锂离子电池，但许多锂离子电池组使用多个电池串联或并联，以增加电池组的电压和容量。锂离子电池组也需要安全电路，它可以是任何东西，从基本的，现成的安全电路到复杂的电池管理系统(BMS)。简单的锂离子电池组包括两个电池芯，一个基本的安全电路，镍标签，电气绝缘，以及PVC热收缩套管内的电线(图1）.

然而，如今的许多锂离子电池组都是复杂的机电系统，安装在耐用的外壳中，用于救生医疗设备，以及关键的军事和航空航天应用。这些电池组价格昂贵，预计将满足消费者对性能和容量的要求(图2）.

大多数锂离子电池组性能良好。然而，偶尔，一些包表现出充电接受不足和快速容量减退。锂离子电池组性能差的一个常见原因是电池组内部存在不利的热条件。过多的热量，无论是结合或独立于电池组内电池的不均匀热廓线，都会显著影响性能。升高的温度加速了细胞内正常的化学过程，导致细胞老化和能力的丧失。试验表明，在45°C下循环的细胞比在25°C下循环的细胞在同一时期内的容量下降更显著[2]。

此外，仿真结果表明，并联电池间的温差极大地加剧了电池间放电不平衡现象。这一连串的事件加速了电池组容量[3]的损失。对于锂离子电池组，业界接受的设计约束是电池组内电池间的温度变化为5°C[3]。锂离子电池可以在很宽的温度范围内充电和放电。目前大多数普通锂离子电池可以在0°C至45°C充电，在−20°C至60°C放电。在锂离子电池制造商中，一般接受的最佳工作温度范围为20°C至40°C。

当受到高充放电电流时，锂离子电池会发热。为了保持电池组内的电池在最佳温度范围内运行，并保持整个电池组的均匀热廓线，电池组工程师应该在设计中加入某种形式的热管理。万博投注网址应用于电池组的两种类型的热管理是“主动”热管理和“被动”热管理。主动热管理包括用强制空气、强制液体或两者同时冷却。主动热管理系统需要强制风冷的风扇或鼓风机，以及强制液冷的泵。主动热管理通常用于全电动和混合动力汽车的锂离子电池组。然而，主动热管理技术可能是复杂和昂贵的。

被动热管理是一种完全通过热力学吸收热量的冷却技术;即对流、传导和辐射[6]。被动冷却技术通常比主动冷却方法更简单、更便宜，更适合许多中小型电池组。锂离子电池组中一个常用的被动热管理方法是使用散热器。散热器通常由铝、铜或其他具有高导热性的材料制成。通过传导，锂离子电池的热量传递到散热器，然后传到外壳的壁上。然后热量散失到周围的环境中。在散热器和电池之间应用顺应性热界面材料是一个很好的做法，以促进有效的热传递(图3）.

另一种有效的被动热管理技术是在电池组设计中采用相变材料(PCM)。当相变温度达到时，相变金属在从固体转变为液体的过程中吸收热量。PCM热管理产品的制造商生产各种浸渍PCM的材料。这些材料保持它们原来的固体形状，而PCM内的相变和吸收热量(图4 - 7）.

散热器有助于平衡锂离子电池组内的热分布。与散热器结合使用的散热器能有效地将热量从电池中转移出去。热传导器可以是涂有薄介电膜或导热金属箔的石墨片。由于它们是灵活的，热扩散器可以在细胞之间编织，然后终止于散热器(图8）.

蓄电池组被动热管理实践方法的第四个例子是将锂离子电池和其他电子器件封装在一个导热、电绝缘的灌封化合物中。电池的热量在外壳内消散，并传导到散热器或外壳壁。需要注意的是，当封装锂离子电池时，电池通风口周围的区域必须远离灌封化合物(图9）.

虽然这篇文章涉及了四种用于锂离子电池组被动热管理的方法，但还有其他方法。鼓励读者做额外的研究，并选择适合他们具体应用的方法。此外，这里描述的方法不是相互排斥的，可以相互结合使用。