一种圆柱形锂离子电池及其设计方法与流程

本发明涉及应用于电动汽车、储能、电动工具、消费类电子等领域的蓄电池，特别是涉及一种圆柱形锂离子电池及其设计方法。

背景技术：

随着电动汽车市场规模的日益壮大，锂离子电池作为一种被广泛认可的车用电池具有及其重要的意义，其具有循环寿命长、能量密度高、低自放电率等优点。众所周知，锂离子电池的性能、寿命和安全与电池温度密切相关，而电池温度是由锂离子电池工作时的产热和散热共同决定的。若能合理提升锂离子电池的散热性能，使锂离子电池的散热与产热基本达到平衡，则能有效避免热量累计导致温度升高，从而延长锂离子电池的循环寿命、保证安全。然而，现有圆柱形锂离子电池相对于软包电池散热表面积小，自身散热性能差。因此，有必要深入分析现有圆柱形锂离子电池的散热规律，设计一种新型的锂离子电池结构，改善其散热性能。

技术实现要素：

有鉴于此，提供一种散热性能良好的圆柱形锂离子电池及其设计方法。

一种圆柱形锂离子电池，包括电池单体以及贴设于电池单体上的若干肋片，所述肋片的厚度为0.1～2mm，高度为0.5～4mm，间距为1～3mm，电池的整体体积相对于电池单体的体积增加小于3％。

一种圆柱形锂离子电池的设计方法，包括以下步骤：确定所要优化的圆柱形锂离子电池单体的产热Q₀；将产热Q₀作为热源，对电池单体添加肋片进行模拟分析，确定肋片的最优结构；以及用最优结构的肋片封装电池单体，形成本发明的圆柱形锂离子电池。

相较于现有技术，本发明分析现有圆柱形锂离子电池的产热，添加肋片进行模拟分析获取最优肋片结构，在保证电池整体体积基本无变化的前提下大幅提升电池的自身散热，保证电池的使用安全与使用寿命。

附图说明

图1为本发明圆柱形锂离子电池的一实施例的结构示意图。

图2为图1中圈II放大图。

图3为本发明圆柱形锂离子电池的设计方法的一实施例的流程图。

图4为图3所示方法中计算产热Q₀的详细流程图。

图5为0.04C充电电压/0.04C放电电压/开路电压Uovc与荷电状态SOC关系的曲线图。

图6为不同倍率放电的放电电压与放电深度DOD关系的放电曲线，以及开路电压Uovc与放电深度DOD关系的放电曲线。

图7为不同倍率放电的产热Q₀与放电深度DOD关系的放电曲线。

图8为不同倍率放电结束时最大温升随肋片厚度的关系图及电池体积增加。

图9为不同倍率放电结束时最大温升随肋片高度的关系图及电池体积增加。

图10为不同倍率放电结束时最大温升随肋片间距的关系图及电池体积增加。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明是在分析现有圆柱形锂离子电池的基础上，对其进行优化设计，添加肋片加强散热，形成本发明的圆柱形锂离子电池，自身散热性好，在充、放电过程中自身温度变化很小，保证使用安全与使用寿命。另外，由本发明的圆柱形锂离子电池构成的电池组，由于电池自身散热好，电池组的散热装置可以简化甚至省略，提高了电池组整体的能量密度，降低了电池组整体的冷却成本。具体地，如图1所示，本发明的圆柱形锂离子电池是在现有圆柱形锂离子电池单体(以下简称电池单体)10的外壳12之外再封装肋片14。较佳地，所述肋片14由导热系数高的材料，优选地为金属材料，如铜、铝及其合金等。考虑到肋片14的重量以及成本，以价格低、质量轻的铝或铝合金为佳。所述肋片14的表面积远大于电池单体10的外壳12的表面积，因此通过设置肋片14，极大地增加了热交换的面积，使得热量可以快速散发。

顾名思义，圆柱形锂离子电池的外形为圆柱体，为满足不同的应用需求，现有圆柱形锂离子电池具有多种尺寸与容量，不同类型的圆柱形锂离子具有不同的型号。现有圆柱形锂离子电池其型号一般为5位数字，如14500、14650、18650、22650、26650、38120、38140、40152、42120、63219、20700、21700、76306等，其中前两位数字为电池的直径，第3-4位数字为电池的高度，单位均为毫米，如型号为21700的圆柱形锂离子电池的直径为21mm，高度为70毫米，其它以此类推，不再赘述。本实施例中，所述肋片14均呈圆环状，环套设于电池单体10的外壳12上，肋片14的内边缘紧贴电池单体10的外壳12的外圆周面。较佳地，所述肋片14沿电池单体10的轴向均匀间隔排布，相邻的肋片14之间形成间隔，以使肋片14的外表面与空气形成充分的热交换。电池单体10在充、放电过程中的产热由电池单体10的外壳12传导至肋片14，并由肋片14快速地向外辐射并最终散发至空气中，使电池单体10维持在低温状态，保证其使用安全与使用寿命。

本发明通过肋片14的设置增强电池整体的散热，可以理解地，肋片本身的结构，如其尺寸、数量等均会在一定程度上影响肋片的散热效果，通常肋片尺寸越大表面积越大、数量越多，整体表面积越大，热交换效果越好，但尺寸、数量的增加会在很大程度上使得电池整体的体积与重量增加，因此本发明还对肋片14进一步进行优化设计，如图2所示，对肋片14的尺寸，包括肋片14的厚度T与高度H，以及肋片14的数量，即肋片14的间距D，进行优化设计，在避免电池整体体积的增幅过大的前提下保证电池整体的散热。如图3所示，所述设计方法包括以下步骤：

(1)确定所要优化的现有圆柱形锂离子电池单体10的产热Q₀；

(2)将Q₀作为热源，对电池单体10添加肋片14进行模拟分析，确定肋片14的最优结构；以及

(3)用最优结构的肋片14封装电池单体10，形成本发明的圆柱形锂离子电池。

以下以优化某公司生产的NCM三元材料圆柱形21700锂离子动力电池为例，对本发明的设计方法进行进一步的详细说明：

首先，确定所要优化的电池单体10的产热Q₀，如图4所示，包括：

步骤S1，确定电池单体10的额定容量；

步骤S2，建立电池单体10的开路电压U_OCV和荷电状态SOC的定量关系式；

步骤S3，确定电池单体10的不同倍率放电曲线；以及

步骤S4，计算电池单体10的产热Q₀。

其中，步骤S1中，首先需要根据电池单体10的类型确定充电制度和放电制度：

确定充电制度和放电制度是对电池单体实施操作的前提，根据这些制度可以确定如何将电池单体充满电、如何将电池单体的电放完、测定电池单体的额定容量和剩余容量、确定电池单体的充电截止电压或结束条件、放电截止电压或结束条件。

在充电制度和放电制度中包含了静止时间，每完成一个充电或放电过程，电池单体都要静止一段时间才能进行下一步操作。静止时间以电池单体的电压不在发生任何变动为准。电池单体的充电制度和放电制度可由电池单体的生产厂家提供，也可依据国家标准来设定。

对锂离子电池，充放制度与放电制度可以参照QC/T744-2006。

其次，根据确定的充、放电制度，确定电池单体10的额定容量：

本实施例中参照QC/T744-2006，首先以0.33C恒流放电将电池单体10的剩余电放完；之后以0.33C恒流充电将电池单体10充电至充电截止电压，电池单体10的平均电压达到4.2V(正常情况下电池单体能够达到的最高电压)；再之后以0.33C恒流放电将电池单体10放电至放电截止电压，电池单体10的平均电压到2.5V(正常情况下电池单体能够达到的最低电压)，记录所放出的电荷值，即为电池单体10的额定容量。

在本实施例中，测量值是3.3Ah，即电池单体10的额定容量为3.3Ah。

对于步骤S2，本实施例依据文献J Power Sources,134(2004)262-272进行操作，包括：

步骤S21，获得电池单体10的0.04C充电曲线：静止2h，将步骤S1得到的电池单体10以0.04C恒流充电25h(0.04C对应的充满电的时间就是25h)或至充电截止电压，记录电池单体10的充电电压随荷电状态SOC(state of charge)变化的充电曲线，如图5中0.04C充电曲线所示；

步骤S22，获得电池单体10的0.04C放电曲线：静止2h后，将步骤S21得到的电池单体10以0.04C恒流放电25h(0.04C对应的放完电的时间就是25h)或至放电截止电压，记录电池单体10的放电电压随荷电状态SOC变化的放电曲线，如图5中0.04C放电曲线所示；

步骤S23，获得电池单体10的开路电压曲线：将步骤S21得到的充电曲线和步骤S22得到的放电曲线相加取平均值，得到电池单体10的开路电压Uocv随荷电状态SOC或放电深度DOD(depth of discharge)变化的开路电压曲线，如图5中Uocv曲线即为开路电压Uocv随荷电状态SOC变化的曲线，图6中Uocv曲线则为开路电压Uocv随放电深度DOD变化的曲线；以及

步骤S24，依据开路电压Uocv与荷电状态SOC的关系式：

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

将步骤S23得到的开路电压Uocv与荷电状态SOC的对应值代入，采取迭代方式获取上述关系式中的未知参数K₁～K₁₀，建立电池单体10的开路电压U_OCV和荷电状态SOC的定量关系式，并根据此定量关系式得到拟合曲线，如图5和图6中的Uocv曲线就是通过该关系拟合得到的。

对于步骤S3，首先将电池单体10以0.33C恒流放电至放电截止电压；之后静止2h，以2C恒流充电0.5h(2C对应的充满电的时间就是0.5h)或至充电截止电压，记录电池单体10的充电电压随荷电状态SOC变化的充电曲线；再之后静止2h后，将电池单体10以2C恒流放电0.5h(2C对应的放完电的时间就是0.5h)或至放电截止电压，记录电池单体10的放电电压随放电深度DOD变化的放电曲线，如图6中2C放电曲线所示。其他倍率放电曲线也可同理得到，图6示例性示出1C、2C、3C放电曲线。

对于步骤S4，确定电池单体10的产热Q₀，包括：

步骤S41，确定放电时的不可逆热q_irr：根据步骤S2获得的开路电压Uocv和荷电状态SOC的定量关系式、以及步骤S3获得的不同倍率的放电曲线，计算放电时的不可逆热q_irr，不可逆热q_irr计算式为：q_irre＝I(V_OCV-V_t)；

步骤S42，确定放电时的可逆热q_rev：根据步骤S2获得的开路电压Uocv和荷电状态SOC的定量关系式，计算不同倍率放电时的可逆热q_rev，可逆热q_rev计算式为：以及

步骤S43，根据在相同荷电状态SOC区间时步骤S41得到的不可逆热q_irr、和步骤S42得到的可逆热q_rev，两者相加即得到电池单体10放电时的产热Q₀，即：Q₀＝q_rev+q_irre。当考虑到SOC对可逆热以及不可逆热的影响后，可将公式变形拟合成不同倍率放电下的荷电状态SOC与电池单体10的产热Q₀的关系：Q₀＝q_rev(SOC)+q_irre(SOC)，如图7所示。

在确定电池单体10的产热Q₀之后，即可将Q₀作为热源，对电池单体10添加肋片14进行模拟散热分析，确定肋片14的最优结构。此过程通常在有限元分析软件，如COMSOLMultiphysics中进行。首先在软件中建立电池单体10的热模型；之后根据电池单体10的类型初步选定某度结构的肋片14添加至电池单体10上；之后分别对肋片14的厚度T、高度H、以及间距D在一定范围内进行模拟散热分析，确定肋片14的最优结构。以上过程中热边界条件模拟自然冷却，散热系数为5(W/m²*K)。为平衡散热效果与电池体积，一般要求在加入肋片14后相对没有肋片14的情况，温度降低30％，且体积增加小于3％。

本实施例中，根据示例的电池单体10的型号，肋片14的厚度T范围为0.1～2mm，高度H范围为0.5～4mm，间距D范围为1～3mm。厚度T范围的设置相对较窄，主要是由于肋片14的厚度T对其热交换面积影响不大，因此在方便成型的基础上可以薄一些。高度H范围的设置相对最宽，主要是由于高度H最能影响其热交换面积，因此范围可以大一些，但考虑到体积等因素亦不能太大。肋片14间距D越大，则肋片14数量越少，反之肋片14数量越大，虽然肋片14数量的增加能增大表面积，但设置过密并不利于热辐射，另外还需考量体积以及加工等因素，肋片14的设置不能过密。本实施例中，先优化肋片14的厚度T，然后优化肋片14的高度H，最后优化肋片14的间距D。可以理解地，对肋片14厚度T、高度H、间距D的优化顺序可以任意调整，不以本实施例为限。

本实施例中，初始以肋片14间距D2mm、高度H1mm为基础，模拟肋片14厚度T在0.1～2mm情况下，电池以不同倍率放电至放电截止电压的温度变化，以及电池的整体体积随肋片14厚度T的变化，如图8所示，经模拟，选取肋片14厚度T为0.3mm。之后，将肋片14厚度T调整为0.3mm，保持肋片14间距D2mm不变，模拟肋片14的高度H在0.5～4mm情况下，电池以不同倍率放电至放电截止电压的温度变化，以及电池的整体体积随肋片14高度H的变化，如图9所示，经模拟，选取肋片14高度H为1mm。再之后，将肋片14高度H调整为1mm，肋片14厚度T保持0.3mm，模拟肋片14间距D在1～3mm情况下，电池以不同倍率放电至放电截止电压的温度变化，以及电池的整体体积随肋片14间距D的变化，如图10所示，经模拟，选取肋片14间距D为2mm，如此即得到肋片14的最优结构。

最后，用上述最优结构的肋片14封装电池单体10，即形成本发明的圆柱形锂离子电池，散热好，体积基本无变化。需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，这些依据本发明的创造精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。