锂离子动力电池温升特性的研究

锂离子动力电池温升特性的研究动力电池的制作与性能研究

2010年(第32卷)第4期

汽　车　工　程AutomotiveEngineering

2010(Vol.32)No.4

2010066

锂离子动力电池温升特性的研究

张志杰,李茂德

(同济大学机械工程学院,上海　201804)

3

[摘要]　介绍了锂离子动力电池的发热机理。基于锂离子动力电池内阻引起的温升特性,建立动力电池传热

模型,通过模拟计算得出电池内部温度分布及电池温升随放电倍率变化的规律。,揭示了电池内阻随电池温度和SOC变化的规律。

关键词:锂离子电池;温升;内阻

AStudyontheTemperatureRise2ionPowerBattery

eLiMaode

ofEngineering,TongjiUniversity,Shanghai　201804

[　heatgenerationmechanismoflithium2ionpowerbatteryispresented.Basedonthecharac2teristicoftemperature2riseinlithium2ionpowerbatterycausedbyitsinternalresistance,theheattransfermodelforpowerbatteryisbuilt,andthetemperaturedistributionwithinbatteryandthelawofbatterytemperaturerisechan2gingwithdischargerateareobtainedthroughsimulation.FinallyanexperimentontheinternalresistanceoflithiummanganesebatteryisconductedtorevealthelawofbatteryinternalresistancechangingwiththetemperatureandSOCofbattery.

Keywords:lithium2ionbattery;temperaturerise;internalresistance

111　电池组内阻

前言

锂离子动力电池具有比能量高、循环性能好和自放电低等特点,已经成为混合动力汽车和电动车的主导电源。为了充分利用并发挥锂离子电池的优势,克服其存在的缺点,世界各主要国家的政府、汽车制造商和相关科技人员都对大容量、高功率动力用锂离子蓄电池的研究非常重视在向前推进。

锂离子电池自身的温升对电池的安全性造成了很大威胁,对电池的性能也有很大的影响。而电池温升的一个主要原因是电池内阻引发的温升

[2]

[1]

由电化学分析可知,锂离子动力电池的内阻Ric

主要由3部分组成:体积电阻bRRct。在实际运行中,Rb和Rsei基本保持不变,但3]

,从而引发电池总内阻。

Ric=Rb+Rsei+Rct

(1)

,其产业化也正

电池内阻Ric和接线端电阻Rt可以直接测量得到,电池栅格电阻Rg由几何形状决定常常由电池实验数据得出。112　电池组电压

电池组电压

[4]

。

Ub=NsUc+Ib(Ns-1)Ric+2Rt2NsRNp

(2)

1　混合动力电池分析

3上海市自然科学基金(08ZR1419900)资助。

式中:Ib为电池组总电流,A;NP为并联电池个数;NS为串联电池个数。

原稿收到日期为2009年5月27日,修改稿收到日期为2009年7月20日。

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电池组电流Ib为

Ib=NPIc

式中Ic为串联组电流,A。113　电池功率

(1)实际电池规格:36V/12A h,内阻为

(3)

Ω。电池外形尺寸:150mm×100mm×92mm。150m

在电池模型中,电池单体为铝塑包装,叠加后电池材料基本为均质材料,并且假设电池物性参数如密度

ρ、比热cp和导热系数λ等不随温度变化。模型几

何形状取实际电池中心点为坐标原点,实际电池单体长度和宽度为模型中x和y方向:x=-75～75mm,y=-50～50mm,实际电池单体叠加方向为模型z方向:z=-46～46mm。实际电池和建立的模型如图1所示。

电池单体功率Pc为

PcPbNpNs

[4]

-

NpN(Ns-1)Ric+2Rt+

2NsRNp

Ic

2

(4)

式中Pb为电池组功率,W。114　锂电池发热量

电池内部反应热包括反应热、极化热、副反应热和焦耳热。镍氢电池因为有氧气析出,不可避免地会与氢气发生反应,产生副反应热池来说,这部分热量几乎为零,[5]

的3部分热量。

(5)反应热(1Q式中:Q,kJ/mol;I,。

2

(6)极化热　Q2=IRpd

式中:Rpd为极化内阻,Ω。

(7)Rtd=Rpd+Re

式中:Re为电子流动过程中内阻,Ω;Rtd为电池放电过程中总内阻,Ω。

2

(8)焦耳热　Q3=IRe

(9)电池总发热量　Qz=Q1+Q2+Q3

图1　实际电池和电池模型

(2)电池的物性参数为:ρ=1930kg/m3,

cp=01910kJ/(kg K),λ=0175W/(m K);初始温

度t0=27℃,电池周围流体温度tf=27℃,Tf=tf+273。

(3)换热系数[6]主要由两部分组成,一部分为

对流换热系数hx,一部分为辐射换热系数hr,换热系数h=hx+hr。

外掠平板换热局部表面传热系数为

λ1/21/3

hx=01332RePr

x

根据文献[5]可知当电池温度达到70～80℃时,反应热占了电池总产热量的很大比例;而在小于上述温度放电时,焦耳热占的比例较大。一般锂电池的正常工作温度为-20～65℃,因此,锂电池正常工作的发热量可以简化为

2

(10)Qz=IRtd

单位体积电池自身发热功率

2

qV=IRtd/V

式中V为电池单体体积,m。

文中研究对象为聚合物锰酸锂电池,对于此类电池在高温下的反应热计算,目前资料较少,须在进一步的实验中验证,文中暂不考虑模拟计算。

3

(12)

式中:Re为雷诺数;Pr为普朗特数。

44

Cb(Tf-Tb)

辐射换热系数hr=

Tf-Tb

-8

2

4

(13)

(11)

式中:Cb为黑体辐射系数,5167×10m K;Tb为电池温度,K。

首先设t0=27℃,tf=27℃,计算出h,代入计算模型,经模拟计算后得出电池温度分布,再将此时电池温度作为初始值重新计算h,重新模拟计算,直至模拟计算温度与初始温度相差小于015℃时,停止迭代,计算出最终换热系数。最后经迭代计算得电

2

池各表面换热系数为h=8175～11171W/(m K)。

(4)电池三维非稳态导热方程描述为

2　混合动力电池散热模拟

211　电池参数及计算模型

以某厂家生产的聚合物锰酸锂电池(10支电芯串联)为例,计算电池温升特性。

TT+2+2+qVρcp=2

τ99x9y9z

222

(14)

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　322 汽　车　工　程2010年(第32卷)第4期

式中T为电池温度,K。

(5)边界条件(以x方向为例)

dT

(15)-|x=l=h(T|x=l-Tf)

dx

式中:x=l为监测点距中心点距离,mm,取x=l=75mm;T|x=l为电池x=l位置处温度,℃。212　计算结果21211　稳态持续放电下计算结果比较

图2～图5分别为110C放电倍率下持续放电达到稳态后电池温度分布趋势。由图可以看出,电池体内部中心点温度最高,向边界逐渐降低

。

图5　110C持续放电时,x=0、y=截面温度分布

图6z布6:,01,电池中心点温度,可以保证电池在正常;但在210C倍率下持续放电,电池中心点温升会超过电池安全温度上限

。

图2　110C持续放电,

电池整体温度分布

图6　不同倍率持续放电,z方向中心线上温度

21212　非稳态不同放电倍率下计算结果

主要分以下几种情况计算:(1)015C放电时,电

池温升内热源为31913kW/m;(2)110C放电时,电

3

池温升内热源为151652kW/m;(3)210C放电时,

3

电池温升内热源为621608kW/m。图7为计算结果

。

图3　110C持续放电,z=0

截面处温度分布

3

图7　不同放电倍率下,电池中心点温度

图4　110C持续放电时,x=0

截面温度分布

由图7可知,不同放电倍率下持续放电,电池达

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到温度上限所需时间均不相同,放电倍率越大所需时间越短。在110C倍率下放电,电池在8000s后温度基本达到平衡,且未超过温度上限。说明在小于等于110C倍率放电倍率下,电池可以持续放电不会超出正常工作温度。以210C放电倍率放电时,电池在持续放电1200s后即会达到温度上限65℃,最终在12000s后基本达到稳定约为160℃。文中研究对象为聚合物锰酸锂电池,高倍率下放电容易在较短时间内达到温度上限。21213　聚合物锰酸锂电池内阻实验研究

实验表明,电池内阻与温度及SOC存在密切关系。以某型号316V/214A h锰酸锂动力电池为实验样品,采用脉冲放电法测定不同温度和SOC工况下内阻的变化。实验数据如图8所示。其中0为电池实际内阻与标称内阻(25=0)。将实验数据进行拟合SOC,22

R/R0=81847+0SOC-01052T+81466T

(16

)

3　结论

对锂离子动力电池在不同放电倍率下的温升特性进行了数值分析计算,结果表明,高倍率下持续放电,电池温度会持续升高,最终会超过电池温度上限,对电池的使用寿命和性能会有很大影响。这导致混合动力汽车实际运行中,如爬坡、提速等大功率工况下,电池持续放电时间受到严重限制,对电池的功率输出也有很大损失。

、导热系数等会,已经完。由于此方,希望模拟计算结果能为进一步的实验研究提供依据。

参考文献

[1]　毕道治.大容量高功率锂离子电池研究进展[J].电池工业,

2008,13(2):114-119.

[2]　陈玉红,唐致远,等.锂离子电池爆炸机理研究[J].化学进展,

2006,18(6):825-831.

[3]　ZhangSS,XuK,JowTR.ElectrochemicalImpedanceStudyon

theLowTemperatureofLi2ionBatteries[J].ElectrochimicaActa,2004(49):1057-1061.

[4]　GuWB,WangCY.TheUseofComputerSimulationintheEval2

uationofElectricVehicleBatteries[J].PowerSources,1998,75(1).

[5]　SatoNoboru.ThermalBehaviorAnalysisofLithium2ionBatteries

forElectricandHybridVehicles[J].JournalofPowerSource2001

图8　电池内阻随温度变化曲线

(99):70-77.

[6]　李荫亭.传热学手册[M].北京:科学出版社,1987:97-168.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jbz1.html