蓄电池设计中热效应的探讨

2018-04-12胡曙高根芳方明学李进兴郭小群向孟利

蓄电池 2018年2期

胡曙，高根芳，方明学，李进兴，郭小群，向孟利

（天能集团有限公司技术中心，浙江长兴 313100）

0 引言

随着市场竞争日益激烈，对电池性能和成本要求越来越高，电池的轻量化与可靠性设计成为提高性能和降低成本的重要途径。由于电池内的汇流排、板栅、极柱等由铅或铅合金构成的部件，占整个电池成本的 5%～8%，因此开发出质量轻、可靠性高、耐蚀性能好的含铅部件是降低成本、提升性能的有效途径。研究表明，板栅形状、极耳位置、内筋条排布对放电性能有较大影响[1]。汇流排和极柱的尺寸除了满足充放电压降要求与耐腐蚀性外，还需要保证大电流充放电时不熔断。电池在使用过程中伴随有热效应，如果设计不合理，将会引起电池内部热量积累，从而造成电池失效。本文中，笔者采用红外热成像技术，对极耳、汇流排、极柱、过桥、极群的热量产生、传递与消除进行了研究与探讨。

1 实验

1.1 铅条的热效应测试

首先，制备待测铅条：① 用电解铅浇铸长方体铅条；② 铅条经修整后，被放在 MECA tech 234自动研磨抛光机上经研磨整形，然后用乙酸–乙酸钠去除氧化物，将铅条洗净、干燥；③ 将部分铅条用环氧树脂密封，待环氧树脂固化后，修整控制环氧树脂包覆的厚度为 3.0 mm ± 0.2 mm，去除两端环氧树脂，露出未被破坏的电解铅，去除氧化物，并将其洗净、干燥。接着，在恒温 25 ℃，无强制空气对流的封闭实验室内，用自制的紫铜夹具固定铅条的两端，并控制夹具内的铅条长度为 3.0 mm ± 0.2 mm，测量夹具间铅条的长度。然后，将夹具串联在 μC-XCF08 微电池蓄电池循环充放电测试仪的回路中，设置不同的电流恒流放电，用 Fluke Ti125 红外热像仪测量不同放电时间下铅条中部的温度。测量完毕后，待铅条冷却至室温后，继续下一次测量。

1.2 极群的热效应测试

解剖 4 正 5 负结构的 6-DZM-20 成品蓄电池，取出一个汇流排完整的单格，在正、负过桥上分别焊接 3 根铜导线。去除极群一侧的 1 片负极板，剥开隔板，露出正极板；去除极群另侧的 1 片负板、正板和隔板，露出负极板；保持极群上其它 3 片正负极板和隔板完整。将极群和另一个成品电池串联在充放电测试仪的回路中，设置不同的电流恒流放电、充电，用红外热像仪测量极板上的温度。

2 结果与讨论

2.1 铅条热效应的分析

2.1.1 铅条在不同媒质中的温度梯度分布

为了研究极耳、汇流排、极柱、过桥等铅连接部件的热效应，对 2 种不同的普通铅条与用环氧树脂密封的铅条，分别持续通电 5 min，测得其在不同通电时间下的红外成像结果。由图 1 和图 2 可知：无环氧树脂包覆的铅条在通电时，从中间向两端温度梯度非常明显，有中间集中趋势，最后从中部熔断，断口呈椭圆状；有环氧树脂包覆的铅条在通电时，温度分布趋向于均匀，中间集中趋势降低，最后夹具中的铅条整体熔断。

图1 普通铅条的红外成像温度梯度分布图

图2 包覆环氧树脂铅条的红外成像温度梯度分布图

根据热传导方程式 dQ= -λ•dQ•dT/dx，铅的导热系数为 33.9 W•m-2•K-2[5]，约为铜的 1/12。式中：Q为热传导速率，单位 W；A为热传导面积，单位m2；dT/dx是物体的温度梯度，单位 K• m-2；λ是导热系数，单位 W•m-2•K-2。铜导热系数高且夹具表面积大，所以热量主要通过夹具散失，铅条在包覆和未包覆情况下均表现为两端温度低。

环氧树脂为热的不良导体（导热系数一般为0.2W•m-2•K-2），所以传导到环氧树脂上的热量少，环氧树脂表面的温度不高，热量难以通过辐射和与空气对流进行传递。热量逐步累积，直至环氧树脂热分解、变形开裂，所以在图 2 中可见，通电15 s 时在未被包覆环氧树脂的铅条两端的中部的温度高，通电 5 min 时在环氧树脂开裂处温度高。

将包覆环氧树脂的铅条，以不同的电流密度通电 300 s 后断电，自然降温。由图 3 可知，随着电流密度的增大，铅条温升迅速增加。在实验中观测到，在铅条中部温度达 140 ℃ 时，开始有环氧树脂冒烟现象，至铅条中部温度超过185℃ 时，环氧树脂开裂。由图 4 可知，断电后铅条降温的时间较长，而测得无环氧树脂包覆的铅条在断电 2 min内温度即可以降到室温。

图3 包覆环氧树脂的铅条温升情况

图4 包覆环氧树脂的铅条自然降温情况

将铅条密封在环氧树脂中，增加了铅条的机械强度，减弱了其腐蚀速度，因此设计时可减小厚度和耗铅量，但环氧树脂严重阻碍了热量的散失。如果将汇流排整体胶封在电池中，汇流排本身在短时间内的散热性能基本丧失，在大电流放电使用时会严重降低电池的比热容，汇流排就容易出现熔断。并且，环氧树脂与铅条的膨胀系数差异大，经过多次骤然升温后，环氧树脂将会分解、变形，电池的密封性能减弱。在不削弱电池密封性能的情况下，要尽量减少在环氧树脂中的汇流排和过桥/极柱的长度，或增大其在环氧树脂中的截面积，防止电池发生故障。

在电池中与铅接触的媒质主要有电解液、环氧树脂、蓄电池壳、隔板，均为热的不良导体（导热系数均小于 1 W•m-2•K-2）。当与这些低导热系数的物体接触时，热量传递受阻，使热量散失困难，因此在进行这些铅连接部件的设计时，须充分考虑其热量积累因素。

2.1.2 铅条热效应与散热面积的关系

根据热传导、热对流与热辐射公式可知，传热速率与传热面积成正比关系，即增大传热表面积，对热传递有利。使用截面积同为 32.8 mm2，长度同为 38.4 mm，但表面积分别为 990.7 mm2和1117.4 mm2的铅条进行试验，测得其在不同电流密度下的温升情况如图 5 所示。从图 5 可以看出，当散热表面积越大时，散热能力越强，温升越小。因此，在进行汇流排、极柱、过桥设计时，对于相同的截面积，通过改变截面积长宽比，增加表面积，可以促进散热，减缓汇流排的温升。在汇流排上设置凸台，可增加汇流排的散热表面积和机械强度。在远离过桥、极柱端，通过的电流密度小，应适当减小汇流排的截面积以降低铅耗。将汇流排两端的边极耳折弯，在提高焊接质量的同时，增加极耳外侧的散热面积，降低汇流排的温升。

2.1.3 铅条长度与熔断电流密度的关系

图5 不同表面积铅条的温升时间曲线

铅条的温升与铅条的发热、散热能力相关。当热量积累到一定程度后，会导致铅连接部件熔断，造成电池不能使用。在测试时逐渐增大电流密度，当铅条在 2～5 min 内熔断时，发现熔断电流与铅条截面积和长度的关系较大，与铅条的表面积关系不大，即短时间大电流放电时，发热占主导地位，散热效果有限。实验测得不包覆环氧树脂的普通铅条长度与熔断电流密度关系如图 6 所示。从图 6 可以看出，随着铅条长度的增加，熔断电流密度下降。这就是通常电池的过桥容易熔断而极耳不易熔断的原因。与汇流排连接的极板极耳，相对于汇流排来说，起到散热翅片的作用，有利于汇流排散热，因此在设计汇流排时可以考虑适当延长极耳的长度或宽度，增大极耳的散热面积，提高其辅助散热的性能。

图6 铅条长度与熔断电流密度的关系

2.2 极群热效应的分析

对于 AGM 电池的每个单格的极群来说，热量的产生和消除过程比较复杂。极群的热量主要来自于电流流过导体时产生的焦耳热、电池反应的可逆热、正极氧气通过隔板到负极进行反应的复合热。极群的热量的消除主要通过极板的极耳、边框、电解液等将热量传递到电池外壳，然后散发到环境中。当极群内生成的热量大于消除的热量时，电池将产生热失控[6]，因此合理地设计极群结构显得非常重要。

2.2.1 极群的温度梯度分布

将极群放电 10 min 后自然冷却，用红外成像仪观测放电过程中极群的温度分布情况。从图 7 和图 8 可知：放电前期，极板温度不高，温差不明显；极耳附近的温度最高，因此停止放电后，高温中心从极耳处向极板中部迁移；负极板的温度高于正极板的温度。

电池在正常使用时，化学反应热并不大，而且极板的表面积大，散热能力强，所以在小电流充、放电时，极板上无明显的温差。由于极耳和其附近的电流密度最大，发热量最多，而且铅的导热系数远远大于电池中其他媒质的导热系数，因此极耳的热量主要靠热传递散发。极耳薄，翅片结构散热效果好，热传递速度快，极耳附近的温度就升、降明显。负极板的组成主要为海绵状铅，因此其导热系数高，而且负极板较薄。正极板较厚，而且相对于负极板来说，导热系数较低。因此，热量主要通过负极板快速传递。极板四框为铅合金，热传递速率高，高温中心逐渐往极板的中部移动。对比正、负极板自然冷却 15 min 时的图像可知，负极板四框散热能力强。极群底部的泡沫板热传递速率慢，影响热量散失，从而导致在某一时段极群底部的温度较高。

图7 1.33C 放电的正极板表面温度分布（左侧为负极耳，右侧为正极耳）

图8 1.67C 放电的负极板表面温度分布（左侧为正极耳，右侧为负极耳）

2.2.2 极群热效应的实例解析

解剖正常失效的管式富液电池，取出正极板，小心去除封底；接着，将正极板置于超声清洗机中，用低能量的超声处理 10 min；然后，小心去除排管，清洗铅芯。由图 9 可见，在远离正极耳的极板上部排管有腐蚀现象，正极耳下部的铅芯尚有残余，而远离正极耳的下部铅芯腐蚀严重。

极群中正、负板间距小，极板从相邻极板接受到的热辐射不能忽视。由图 7、8 可知，极群中高温点位于极耳中部附近，其他位置发热量少，但接受的热量最多，需要向周围传递热才能降低温度。因为负极板的传热性能远高于有低导热系数的排管的正极板，负极板散热能力强且能协助正极板散热，所以正极耳附近的热量能较快发散。由于负极耳散热效果好，向外传递的热量最多，与其相邻的正极板区域通过辐射、对流主要是接收热量，散热仅能依靠附近的几根排管进行热传导，热量累积较多，长期使用后必然出现负极耳对面正极板铅芯先腐蚀。

图9 失效的管式正极板

在设计电池时，如果将极耳设计为靠近极板中部附近，则可降低上边框的电流梯度，相当于减小了极板内阻，增加了电池放电性能；但正、负极耳附近累积的热量较多，散热较难，正负极耳中部附近的平均温度提高，会导致极耳附近，及正负极耳中间的板栅腐蚀速度加快，反而会降低电池的寿命。如果将极耳设计为偏边，但距边缘有一定距离，则负极耳对面的正极板，可以同时往热量中心的左、右两边同时进行热传导，可以降低负极耳对面的正极板区域温度，降低极群平均温度，减缓板栅腐蚀速度，最终能提高电池的寿命。