本文將討論上一篇文章中提到的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。鋰離子電池喜歡與人類非常相似的溫度范圍，約為23℃。電池組中的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通過冷卻或加熱電池將電池調(diào)節(jié)到合適的溫度。一個(gè)簡(jiǎn)單的電池?zé)峥刂葡到y(tǒng)是在電池中安裝一個(gè)熱交換器，使電池保持在恒定的溫度范圍內(nèi)。有很多方法可以做到這一點(diǎn)，但常見的方法是通過某種介質(zhì)將熱量從電池傳遞到電池外部。

 

 

為什么電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)很重要

對(duì)于電池，最合適的溫度是23℃左右。在電池組中，電池組中的電池之間也存在溫差。通常，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需要將電池串中電池之間的溫差保持在兩到三度之間，在最壞的情況下，溫差應(yīng)控制在6~8℃之間。

熱管理非常重要，因?yàn)楦邷厥羌铀匐姵乩匣拿舾袟l件。當(dāng)電池組內(nèi)部電池的溫差太大時(shí)，每個(gè)電池的老化速度也會(huì)有很大的差異。熱電池通常比冷電池老化更快，電池組的壽命取決于性能最差的電池，因此溫度不平衡意味著電池組的預(yù)期壽命縮短。

 

 

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的注意事項(xiàng)

三個(gè)因素：電池類型、工作環(huán)境、電池狀況

復(fù)雜的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)將高度依賴于三個(gè)因素。第一個(gè)因素是工作的電池類型。高功率電池會(huì)產(chǎn)生大量熱量，而低功率電池會(huì)產(chǎn)生更少的熱量。第二個(gè)因素是使用電池的環(huán)境。如果電池在較高溫度下使用，則意味著電池開始工作時(shí)已經(jīng)很熱。第三個(gè)因素是電池本身的狀況。不同材料系統(tǒng)的電池具有不同的溫度。因此，在設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)需要考慮這三個(gè)因素。

 

三種類型的熱交換：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射

同時(shí)，在電池和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)中需要考慮三種類型的熱交換：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳導(dǎo)是兩個(gè)接觸物體之間的直接傳熱；對(duì)流是通過流動(dòng)介質(zhì)向吸熱裝置傳遞熱量。輻射是指能量以電磁波或粒子的形式向外擴(kuò)散，通常通過氣體或真空。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮這三種傳熱模式，但熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素。

 

 

軟包鋰離子電池安裝在右側(cè)的冷卻單元和左側(cè)的相鄰擱板上。熱量從電池到冷卻板，再到冷卻通道，通過熱傳導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)。冷卻板通道中的流動(dòng)介質(zhì)通過熱對(duì)流去除熱量。電池的熱量通過傳導(dǎo)傳遞到總線。電池左側(cè)用于機(jī)械支撐的框架與電池沒有直接接觸，電池中的熱量通過熱輻射傳遞。

當(dāng)電池放電時(shí)，它產(chǎn)生熱量，熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到總線和連接到電池的其他部件。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)使用液體通過對(duì)流加熱或冷卻它們。同樣，電池可以通過使用冷氣體的對(duì)流來冷卻。輻射熱的影響不容忽視。雖然加熱單元沒有直接連接到其他單元或部件，但它可以通過輻射加熱。類似地，如果電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)得不好，加熱電子部件也會(huì)通過輻射影響電池。

 

設(shè)置電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的溫度

鋰離子電池在10-35℃的溫度范圍內(nèi)工作良好，這意味著電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的溫度維持應(yīng)設(shè)置在該溫度范圍內(nèi)。這也是大多數(shù)情況下電池組需要保持的溫度。在此溫度范圍內(nèi)，電池不會(huì)發(fā)生額外的氧化還原副反應(yīng)。

大多數(shù)鋰離子電池不能在-20℃以下或45℃以上工作。低于-40℃時(shí)，電解液會(huì)凝固或沉淀鋰鹽，此時(shí)電池的阻抗顯著增加，離子遷移率較差，電池的容量和功率性能顯著降低。當(dāng)電池的溫度超過60℃時(shí)，處于充電狀態(tài)的陽極和陰極材料變得不穩(wěn)定。

 

 

熱量是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的一個(gè)重要概念和參數(shù)。熱是能量的一種表達(dá)。電池組中的每個(gè)質(zhì)量物體都可以吸收熱量，包括電池單元和電池組中所有的部件。每個(gè)物體吸收的熱量與其質(zhì)量和比熱容（材料特性）直接相關(guān)。

例如，相同質(zhì)量的銅母線可以比塑料吸收更多的熱量。如果物體吸收的熱量超過相變或反應(yīng)的閾值，則材料開始發(fā)生變化。塑料熔化或燃燒，金屬熔化或氧化。除了一些與熱源直接接觸的電子部件外，熱通常不是主要的設(shè)計(jì)考慮因素。

然而，在被動(dòng)冷卻電池組或沒有冷卻裝置的情況下，必須估計(jì)熱量的影響。如果應(yīng)用于溫度較高的地區(qū)，可能會(huì)有所幫助。在這種環(huán)境下，電池組從周圍環(huán)境中吸收熱量，迫使電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)努力工作以保持溫度。例如，在亞利桑那州，夏季的環(huán)境溫度為38-44℃或更高，電池從環(huán)境中吸收熱量。因此，需要主動(dòng)冷卻以將電池的初始高溫降低到23℃，從而提高電池系統(tǒng)的性能和壽命。

 

熱失控的演變

如果電池的溫度高于90℃，聚合物基隔板開始熔化并被破壞，在90～130℃之間隔板將繼續(xù)被破壞，直到陰極和陽極之間的內(nèi)部短路，那么電池將出現(xiàn)熱控制。在實(shí)踐中，熱失控意味著電池達(dá)到足以產(chǎn)生自身熱量的溫度，隨后發(fā)生燃燒或爆炸（通常稱為“快速拆卸”）。一旦堆芯超過閾值，就沒有辦法防止自發(fā)熱并導(dǎo)致熱失控。不同鋰離子電池的熱失控溫度閾值不同。一些電池可能在低溫（如120℃）下引發(fā)熱失控，而另一些電池可能超過140℃。

 

 

熱失控的演變始于細(xì)胞內(nèi)化學(xué)物質(zhì)的分解，隨后是一系列的析氧副反應(yīng)，這些副反應(yīng)加速了細(xì)胞的持續(xù)燃燒。如果電池密封良好，足以防止空氣中的氧氣接觸電池中的可燃材料，那么當(dāng)電池內(nèi)的氧氣用完時(shí)，燃燒將無法持續(xù)。

研究表明，當(dāng)熱量失控時(shí)，最高溫度可能超過600~800℃。具體溫度取決于電池的大小和失控的電池?cái)?shù)量。幾乎沒有有效的方法來防止鋰離子電池因熱失控而失效。設(shè)計(jì)者試圖通過設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來盡可能地提高電池組的安全性，方法是隔離故障電池或排出故障電池產(chǎn)生的氣體。在任何情況下，管理單元故障都需要系統(tǒng)的整體方法。但到目前為止，還沒有有效的方法來防止細(xì)胞的失效。

 

與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)相關(guān)的術(shù)語

我們還需要簡(jiǎn)要討論與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試相關(guān)的一些術(shù)語，首先對(duì)它們進(jìn)行一些描述，以更好地理解這些概念。

 

 

絕熱

第一個(gè)術(shù)語是絕熱。絕熱與熱力學(xué)第一定律有關(guān)。在這種情況下，絕熱意味著外界和電池之間沒有熱交換。在鋰離子電池領(lǐng)域，通常在絕熱條件下測(cè)試鋰離子電池的熱特性。該方法是將電池放在一個(gè)改變溫度的熱室中，使其在測(cè)試時(shí)保持與電池相同的溫度。這使得有可能精確計(jì)算電池在給定操作環(huán)境中產(chǎn)生的熱量。

 

放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)

另一個(gè)術(shù)語是“放熱反應(yīng)”和“吸熱反應(yīng)”，放熱反應(yīng)是指將能量釋放到環(huán)境中，使其升溫。吸熱反應(yīng)是從周圍環(huán)境吸收熱量并降低環(huán)境溫度的反應(yīng)。絕大多數(shù)鋰離子電池在放熱反應(yīng)中放電（釋放能量），這需要電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來處理產(chǎn)生的熱量。