本發(fā)明涉及應(yīng)用于電動汽車、儲能、電動工具、消費類電子等領(lǐng)域的蓄電池，特別是涉及一種圓柱形鋰離子電池及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

隨著電動汽車市場規(guī)模的日益壯大，鋰離子電池作為一種被廣泛認可的車用電池具有及其重要的意義，其具有循環(huán)壽命長、能量密度高、低自放電率等優(yōu)點。眾所周知，鋰離子電池的性能、壽命和安全與電池溫度密切相關(guān)，而電池溫度是由鋰離子電池工作時的產(chǎn)熱和散熱共同決定的。若能合理提升鋰離子電池的散熱性能，使鋰離子電池的散熱與產(chǎn)熱基本達到平衡，則能有效避免熱量累計導(dǎo)致溫度升高，從而延長鋰離子電池的循環(huán)壽命、保證安全。然而，現(xiàn)有圓柱形鋰離子電池相對于軟包電池散熱表面積小，自身散熱性能差。因此，有必要深入分析現(xiàn)有圓柱形鋰離子電池的散熱規(guī)律，設(shè)計一種新型的鋰離子電池結(jié)構(gòu)，改善其散熱性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，提供一種散熱性能良好的圓柱形鋰離子電池及其設(shè)計方法。

一種圓柱形鋰離子電池，包括電池單體以及貼設(shè)于電池單體上的若干肋片，所述肋片的厚度為0.1～2mm，高度為0.5～4mm，間距為1～3mm，電池的整體體積相對于電池單體的體積增加小于3％。

一種圓柱形鋰離子電池的設(shè)計方法，包括以下步驟：確定所要優(yōu)化的圓柱形鋰離子電池單體的產(chǎn)熱Q₀；將產(chǎn)熱Q₀作為熱源，對電池單體添加肋片進行模擬分析，確定肋片的最優(yōu)結(jié)構(gòu)；以及用最優(yōu)結(jié)構(gòu)的肋片封裝電池單體，形成本發(fā)明的圓柱形鋰離子電池。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明分析現(xiàn)有圓柱形鋰離子電池的產(chǎn)熱，添加肋片進行模擬分析獲取最優(yōu)肋片結(jié)構(gòu)，在保證電池整體體積基本無變化的前提下大幅提升電池的自身散熱，保證電池的使用安全與使用壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明圓柱形鋰離子電池的一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中圈II放大圖。

圖3為本發(fā)明圓柱形鋰離子電池的設(shè)計方法的一實施例的流程圖。

圖4為圖3所示方法中計算產(chǎn)熱Q₀的詳細流程圖。

圖5為0.04C充電電壓/0.04C放電電壓/開路電壓Uovc與荷電狀態(tài)SOC關(guān)系的曲線圖。

圖6為不同倍率放電的放電電壓與放電深度DOD關(guān)系的放電曲線，以及開路電壓Uovc與放電深度DOD關(guān)系的放電曲線。

圖7為不同倍率放電的產(chǎn)熱Q₀與放電深度DOD關(guān)系的放電曲線。

圖8為不同倍率放電結(jié)束時最大溫升隨肋片厚度的關(guān)系圖及電池體積增加。

圖9為不同倍率放電結(jié)束時最大溫升隨肋片高度的關(guān)系圖及電池體積增加。

圖10為不同倍率放電結(jié)束時最大溫升隨肋片間距的關(guān)系圖及電池體積增加。

具體實施方式

以下將結(jié)合附圖及具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明是在分析現(xiàn)有圓柱形鋰離子電池的基礎(chǔ)上，對其進行優(yōu)化設(shè)計，添加肋片加強散熱，形成本發(fā)明的圓柱形鋰離子電池，自身散熱性好，在充、放電過程中自身溫度變化很小，保證使用安全與使用壽命。另外，由本發(fā)明的圓柱形鋰離子電池構(gòu)成的電池組，由于電池自身散熱好，電池組的散熱裝置可以簡化甚至省略，提高了電池組整體的能量密度，降低了電池組整體的冷卻成本。具體地，如圖1所示，本發(fā)明的圓柱形鋰離子電池是在現(xiàn)有圓柱形鋰離子電池單體(以下簡稱電池單體)10的外殼12之外再封裝肋片14。較佳地，所述肋片14由導(dǎo)熱系數(shù)高的材料，優(yōu)選地為金屬材料，如銅、鋁及其合金等?？紤]到肋片14的重量以及成本，以價格低、質(zhì)量輕的鋁或鋁合金為佳。所述肋片14的表面積遠大于電池單體10的外殼12的表面積，因此通過設(shè)置肋片14，極大地增加了熱交換的面積，使得熱量可以快速散發(fā)。

顧名思義，圓柱形鋰離子電池的外形為圓柱體，為滿足不同的應(yīng)用需求，現(xiàn)有圓柱形鋰離子電池具有多種尺寸與容量，不同類型的圓柱形鋰離子具有不同的型號。現(xiàn)有圓柱形鋰離子電池其型號一般為5位數(shù)字，如14500、14650、18650、22650、26650、38120、38140、40152、42120、63219、20700、21700、76306等，其中前兩位數(shù)字為電池的直徑，第3-4位數(shù)字為電池的高度，單位均為毫米，如型號為21700的圓柱形鋰離子電池的直徑為21mm，高度為70毫米，其它以此類推，不再贅述。本實施例中，所述肋片14均呈圓環(huán)狀，環(huán)套設(shè)于電池單體10的外殼12上，肋片14的內(nèi)邊緣緊貼電池單體10的外殼12的外圓周面。較佳地，所述肋片14沿電池單體10的軸向均勻間隔排布，相鄰的肋片14之間形成間隔，以使肋片14的外表面與空氣形成充分的熱交換。電池單體10在充、放電過程中的產(chǎn)熱由電池單體10的外殼12傳導(dǎo)至肋片14，并由肋片14快速地向外輻射并最終散發(fā)至空氣中，使電池單體10維持在低溫狀態(tài)，保證其使用安全與使用壽命。

本發(fā)明通過肋片14的設(shè)置增強電池整體的散熱，可以理解地，肋片本身的結(jié)構(gòu)，如其尺寸、數(shù)量等均會在一定程度上影響肋片的散熱效果，通常肋片尺寸越大表面積越大、數(shù)量越多，整體表面積越大，熱交換效果越好，但尺寸、數(shù)量的增加會在很大程度上使得電池整體的體積與重量增加，因此本發(fā)明還對肋片14進一步進行優(yōu)化設(shè)計，如圖2所示，對肋片14的尺寸，包括肋片14的厚度T與高度H，以及肋片14的數(shù)量，即肋片14的間距D，進行優(yōu)化設(shè)計，在避免電池整體體積的增幅過大的前提下保證電池整體的散熱。如圖3所示，所述設(shè)計方法包括以下步驟：

(1)確定所要優(yōu)化的現(xiàn)有圓柱形鋰離子電池單體10的產(chǎn)熱Q₀；

(2)將Q₀作為熱源，對電池單體10添加肋片14進行模擬分析，確定肋片14的最優(yōu)結(jié)構(gòu)；以及

(3)用最優(yōu)結(jié)構(gòu)的肋片14封裝電池單體10，形成本發(fā)明的圓柱形鋰離子電池。

以下以優(yōu)化某公司生產(chǎn)的NCM三元材料圓柱形21700鋰離子動力電池為例，對本發(fā)明的設(shè)計方法進行進一步的詳細說明：

首先，確定所要優(yōu)化的電池單體10的產(chǎn)熱Q₀，如圖4所示，包括：

步驟S1，確定電池單體10的額定容量；

步驟S2，建立電池單體10的開路電壓U_OCV和荷電狀態(tài)SOC的定量關(guān)系式；

步驟S3，確定電池單體10的不同倍率放電曲線；以及

步驟S4，計算電池單體10的產(chǎn)熱Q₀。

其中，步驟S1中，首先需要根據(jù)電池單體10的類型確定充電制度和放電制度：

確定充電制度和放電制度是對電池單體實施操作的前提，根據(jù)這些制度可以確定如何將電池單體充滿電、如何將電池單體的電放完、測定電池單體的額定容量和剩余容量、確定電池單體的充電截止電壓或結(jié)束條件、放電截止電壓或結(jié)束條件。

在充電制度和放電制度中包含了靜止時間，每完成一個充電或放電過程，電池單體都要靜止一段時間才能進行下一步操作。靜止時間以電池單體的電壓不在發(fā)生任何變動為準。電池單體的充電制度和放電制度可由電池單體的生產(chǎn)廠家提供，也可依據(jù)國家標準來設(shè)定。

對鋰離子電池，充放制度與放電制度可以參照QC/T744-2006。

其次，根據(jù)確定的充、放電制度，確定電池單體10的額定容量：

本實施例中參照QC/T744-2006，首先以0.33C恒流放電將電池單體10的剩余電放完；之后以0.33C恒流充電將電池單體10充電至充電截止電壓，電池單體10的平均電壓達到4.2V(正常情況下電池單體能夠達到的最高電壓)；再之后以0.33C恒流放電將電池單體10放電至放電截止電壓，電池單體10的平均電壓到2.5V(正常情況下電池單體能夠達到的最低電壓)，記錄所放出的電荷值，即為電池單體10的額定容量。

在本實施例中，測量值是3.3Ah，即電池單體10的額定容量為3.3Ah。

對于步驟S2，本實施例依據(jù)文獻J Power Sources,134(2004)262-272進行操作，包括：

步驟S21，獲得電池單體10的0.04C充電曲線：靜止2h，將步驟S1得到的電池單體10以0.04C恒流充電25h(0.04C對應(yīng)的充滿電的時間就是25h)或至充電截止電壓，記錄電池單體10的充電電壓隨荷電狀態(tài)SOC(state of charge)變化的充電曲線，如圖5中0.04C充電曲線所示；

步驟S22，獲得電池單體10的0.04C放電曲線：靜止2h后，將步驟S21得到的電池單體10以0.04C恒流放電25h(0.04C對應(yīng)的放完電的時間就是25h)或至放電截止電壓，記錄電池單體10的放電電壓隨荷電狀態(tài)SOC變化的放電曲線，如圖5中0.04C放電曲線所示；

步驟S23，獲得電池單體10的開路電壓曲線：將步驟S21得到的充電曲線和步驟S22得到的放電曲線相加取平均值，得到電池單體10的開路電壓Uocv隨荷電狀態(tài)SOC或放電深度DOD(depth of discharge)變化的開路電壓曲線，如圖5中Uocv曲線即為開路電壓Uocv隨荷電狀態(tài)SOC變化的曲線，圖6中Uocv曲線則為開路電壓Uocv隨放電深度DOD變化的曲線；以及

步驟S24，依據(jù)開路電壓Uocv與荷電狀態(tài)SOC的關(guān)系式：

Uocv＝K₁₀*SOC⁹+K₉*SOC⁸+K₈*SOC⁷+K₇*SOC⁶+K₆*SOC⁵+K₅*SOC⁴+K₄*SOC³+K₃*SOC²+K₂*SOC+K₁，

將步驟S23得到的開路電壓Uocv與荷電狀態(tài)SOC的對應(yīng)值代入，采取迭代方式獲取上述關(guān)系式中的未知參數(shù)K₁～K₁₀，建立電池單體10的開路電壓U_OCV和荷電狀態(tài)SOC的定量關(guān)系式，并根據(jù)此定量關(guān)系式得到擬合曲線，如圖5和圖6中的Uocv曲線就是通過該關(guān)系擬合得到的。

對于步驟S3，首先將電池單體10以0.33C恒流放電至放電截止電壓；之后靜止2h，以2C恒流充電0.5h(2C對應(yīng)的充滿電的時間就是0.5h)或至充電截止電壓，記錄電池單體10的充電電壓隨荷電狀態(tài)SOC變化的充電曲線；再之后靜止2h后，將電池單體10以2C恒流放電0.5h(2C對應(yīng)的放完電的時間就是0.5h)或至放電截止電壓，記錄電池單體10的放電電壓隨放電深度DOD變化的放電曲線，如圖6中2C放電曲線所示。其他倍率放電曲線也可同理得到，圖6示例性示出1C、2C、3C放電曲線。

對于步驟S4，確定電池單體10的產(chǎn)熱Q₀，包括：

步驟S41，確定放電時的不可逆熱q_irr：根據(jù)步驟S2獲得的開路電壓Uocv和荷電狀態(tài)SOC的定量關(guān)系式、以及步驟S3獲得的不同倍率的放電曲線，計算放電時的不可逆熱q_irr，不可逆熱q_irr計算式為：q_irre＝I(V_OCV-V_t)；

步驟S42，確定放電時的可逆熱q_rev：根據(jù)步驟S2獲得的開路電壓Uocv和荷電狀態(tài)SOC的定量關(guān)系式，計算不同倍率放電時的可逆熱q_rev，可逆熱q_rev計算式為：以及

步驟S43，根據(jù)在相同荷電狀態(tài)SOC區(qū)間時步驟S41得到的不可逆熱q_irr、和步驟S42得到的可逆熱q_rev，兩者相加即得到電池單體10放電時的產(chǎn)熱Q₀，即：Q₀＝q_rev+q_irre。當考慮到SOC對可逆熱以及不可逆熱的影響后，可將公式變形擬合成不同倍率放電下的荷電狀態(tài)SOC與電池單體10的產(chǎn)熱Q₀的關(guān)系：Q₀＝q_rev(SOC)+q_irre(SOC)，如圖7所示。

在確定電池單體10的產(chǎn)熱Q₀之后，即可將Q₀作為熱源，對電池單體10添加肋片14進行模擬散熱分析，確定肋片14的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。此過程通常在有限元分析軟件，如COMSOLMultiphysics中進行。首先在軟件中建立電池單體10的熱模型；之后根據(jù)電池單體10的類型初步選定某度結(jié)構(gòu)的肋片14添加至電池單體10上；之后分別對肋片14的厚度T、高度H、以及間距D在一定范圍內(nèi)進行模擬散熱分析，確定肋片14的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。以上過程中熱邊界條件模擬自然冷卻，散熱系數(shù)為5(W/m²*K)。為平衡散熱效果與電池體積，一般要求在加入肋片14后相對沒有肋片14的情況，溫度降低30％，且體積增加小于3％。

本實施例中，根據(jù)示例的電池單體10的型號，肋片14的厚度T范圍為0.1～2mm，高度H范圍為0.5～4mm，間距D范圍為1～3mm。厚度T范圍的設(shè)置相對較窄，主要是由于肋片14的厚度T對其熱交換面積影響不大，因此在方便成型的基礎(chǔ)上可以薄一些。高度H范圍的設(shè)置相對最寬，主要是由于高度H最能影響其熱交換面積，因此范圍可以大一些，但考慮到體積等因素亦不能太大。肋片14間距D越大，則肋片14數(shù)量越少，反之肋片14數(shù)量越大，雖然肋片14數(shù)量的增加能增大表面積，但設(shè)置過密并不利于熱輻射，另外還需考量體積以及加工等因素，肋片14的設(shè)置不能過密。本實施例中，先優(yōu)化肋片14的厚度T，然后優(yōu)化肋片14的高度H，最后優(yōu)化肋片14的間距D?？梢岳斫獾?，對肋片14厚度T、高度H、間距D的優(yōu)化順序可以任意調(diào)整，不以本實施例為限。

本實施例中，初始以肋片14間距D2mm、高度H1mm為基礎(chǔ)，模擬肋片14厚度T在0.1～2mm情況下，電池以不同倍率放電至放電截止電壓的溫度變化，以及電池的整體體積隨肋片14厚度T的變化，如圖8所示，經(jīng)模擬，選取肋片14厚度T為0.3mm。之后，將肋片14厚度T調(diào)整為0.3mm，保持肋片14間距D2mm不變，模擬肋片14的高度H在0.5～4mm情況下，電池以不同倍率放電至放電截止電壓的溫度變化，以及電池的整體體積隨肋片14高度H的變化，如圖9所示，經(jīng)模擬，選取肋片14高度H為1mm。再之后，將肋片14高度H調(diào)整為1mm，肋片14厚度T保持0.3mm，模擬肋片14間距D在1～3mm情況下，電池以不同倍率放電至放電截止電壓的溫度變化，以及電池的整體體積隨肋片14間距D的變化，如圖10所示，經(jīng)模擬，選取肋片14間距D為2mm，如此即得到肋片14的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

最后，用上述最優(yōu)結(jié)構(gòu)的肋片14封裝電池單體10，即形成本發(fā)明的圓柱形鋰離子電池，散熱好，體積基本無變化。需要說明的是，本發(fā)明并不局限于上述實施方式，根據(jù)本發(fā)明的創(chuàng)造精神，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以做出其他變化，這些依據(jù)本發(fā)明的創(chuàng)造精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護的范圍之內(nèi)。