一種大型鋰電池組的溫控設計

鄒 青，張 帆

0 前言

鋰電池組在水下使用環境通常為密閉空間，當大功率放電時會釋放大量熱量[1-3]。大量熱量堆積會導致電池組內部變得不穩定，因此需要對電池使用過程進行溫度監控，使電池內部最高溫度在可控范圍[4]。

1 系統概述

本文使用的鋰電池為鋰亞硫酰氯（Li/SOCl2）電池，根據使用要求，鋰電池使用時內部溫度不得超過70℃，本文的溫控設計就是為了尋找一種方案，能在電池的全壽命使用周期將放電溫升控制在70℃以內。

圖1 鋰電池模塊單元熱控結構及內部電池平面分布圖

鋰電池組包含多個相同的電池模塊單元截面，選取其中一個截面作為研究對象，電池模塊單元熱控結構如圖1左所示。電池艙單層艙段由艙體、T型環肋以及艙內四個電池模塊組成。每個電池模塊內部結構為5個打孔隔板夾著4層鋰單體電池，隔板整體固定由側面的固定板連接。圖1右為電池模塊內部電池平面分布圖。

2 溫升情況摸底

通過仿真計算[5-7]，以電池模塊單元的中心截面為基準，最終在4個截面上選取如圖2中的測溫點加裝溫度傳感器。電池分為左上、右上、左下和右下四塊，分別對應A、B、C、D四個測溫模塊，電池同時分為1、2、3和4層。如A-1-1表示左上電池的第1層對應的A模塊測溫點1。同時在電池艙內壁和外壁也加裝一些溫度傳感器。

將該電池艙段密封后放入水中，以恒功率2 000 W放電，通過遠程監控，發現在放電至8小時13分時，左上電池模塊內部溫度最先達到70℃，溫升曲線如圖3所示。

圖2 基本型測溫點分布

圖3 溫升曲線圖

對比圖3中可以發現，電池模塊內部溫度與電池艙壁及內部空氣溫度相差較大，達35℃，表明接觸式被動熱傳導散熱效果不理想。如何有效地降低模塊內溫與外部溫度差成為解決熱控設計的關鍵，下面引入風扇為電池內部主動降溫，將熱量排到密閉空間空氣中。

3 加風扇溫升情況摸底[8]

在電池模塊蒙皮的相應位置開孔安裝風扇和設置通風孔，上下模塊的通風孔對齊，風扇及通風孔的位置如圖4所示，風扇風向為向電池內部送風。

將該電池艙段密封后放入水中，以恒功率2 000 W放電。由于上電池模塊正對風扇，此次下電池模塊溫升較快，整個試驗過程歷時21小時12分鐘，電池放電進入末期，電池模塊內部最高溫度達到47℃，試驗完成，溫升曲線如圖5所示。

圖4 風扇及通風孔位置

從圖5中可見，加入風扇后，電池模塊散熱加快，溫升得到控制。

圖5 加風扇溫升曲線

4 幾種熱控方案對比

表1為2種熱控方案的實際效果對比，從中可以發現，風冷方案有效地控制了電池模塊內部的溫升。

表1 幾種熱控方案對比

5 結束語

針對鋰電池在使用過程中的發熱問題，提出解決方案。經仿真計算，在電池模塊部署一系列溫度傳感器監測電池溫度。通過試驗得出，大功率放電時，鋰電池模塊內部熱量無法快速排出，需要借助風冷等主動散熱措施。通過查看溫度數據，選取每個模塊在無風冷情況下的溫度最高點作為監測對象，可以大大簡化在后續應用場合的溫控設計。

參考文獻：

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