锂离子电池内阻变化对电池温升影响分析Word文档格式.docx
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关键词:
锂离子电池;
内阻;
温升中图分类号:
TM912.9
文献标识码:
A
文章编号:
1002-087X（201002-0128-03
Effectofinternalresistanceontemperatrerisingoflithium-ionbattery
ZHANGZhi-jie,LIMao-de
（MechanicalEngineeringCollege,TongjiUniversity,Shanghai201804,China
Abstract:
Theinternalresistanceofpolymerlithiumbatterywastestedandthefittingequationofinternalresistanceagainsttemperatureandcapacitychangewasobtained.Basedontheequation,themathematicalmodeltosimulatethesituationofthesinglebatterytemperaturerisingataconstantresistanceandvariableresistancewasestablished.Theresultsshowthattheresistancehasasignificantimpactonbatterytemperaturerisingunderthedecidedconditions.Thebatterytemperaturerisingwillhavealargercalculationerrorataconstantresistance.Keywords:
Li-ionbatteries;
resistance;
temperaturerising20世纪70年代以来,由于石油资源和环境问题的凸现,汽车工业致力于发展清洁能源技术,电动汽车具有低噪声、几乎零排放、综合利用能源等突出的优点,是当今解决能源、环保等问题的重要途径,无疑成为汽车工业未来的发展方向。
而电动汽车动力电池的性能在很大程度上决定了电动车的性能,与动力电池相关的技术一直是电动汽车研究的重要课题,受到广泛关注[1]。
电池的内阻是电池最为重要的特性参数之一,它是表征电池寿命以及电池运行状态的重要参数,是衡量电子和离子在电极内传输难易程度的主要标志。
内阻初始大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响,是衡量电池性能的一个重要参数。
对于锂离子电池而言,电池内阻分为欧姆内阻和极化内阻。
欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。
极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻,包括电化学极化和浓差极化引起的电阻[2]。
电池实际内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力。
电池内阻大,会产生大量焦耳热引起电池温升导致电池放电工作电压降低,放电时间缩短,对电池性能、寿命等造成严重影响,严重的甚至会产生爆炸[3]。
1动力电池内阻
1.1不同工况下电池内阻变化趋势
内阻是动力电池的重要参数。
电池的材料、制造工艺、电池结构等因素对内阻均有重要影响。
研究表明,电池内阻与温度及SOC（stateofcharge存在密切关系。
本文以某型号3.7V/10Ah锰酸锂动力电池为样品,采用脉冲放电法测定不同温度和SOC工况下内阻的变化。
实验数据及趋势如图1和2所示。
其中R为电池内阻,R0为电池标称内阻（25℃,0%SOC。
图1（a,电池内阻随温度升高呈下降趋势,在温度低于10℃时,电池内阻随温度升高下降趋势明显,在高于25℃时,电池内阻基本趋于稳定。
图1（b,电池内阻随SOC变大呈下降趋势,当SOC小于40%时,电池内阻随SOC变大下降明显,在电池SOC大于40%时,电池内阻基本趋于稳定。
0%SOC
100%SOC
30%SOC
15%SOC
1.30
1.001.10
1.200.80
0.9055
10
2540−20
−5
t/
RR
/Á
图1（a内阻随温度变化曲线
Fig.1（aDependanceofinternalresistanceon
temperatur
es
研究与设计
2010.2Vol.34No.2
129
1.2综合拟合电阻变化趋势
将上述实验结果进行综合拟合,可以得出电池内阻随温度和SOC综合变化趋势（图2,并得出综合拟合方程:
R/R0=-2.13-4.25S+4.52×
103/T+0.27S2-1.88×
106/T2+
103S/T-1.5×
10-2T3+2.4×
108/T3-3.32×
105S/T2+4.04S2/T。
式中:
S为电池SOC（%,T为电池温度,T=t+273,T（K,t（℃。
2电池温升模型
2.1模型建立
对于任何一个系统来讲,在设计阶段对其中的各个部件建立比较实用的模型可以使系统的开发周期变短,开发费用降低,由于锂离子电池型号各异,以上述聚合物锰酸锂电池（3.7V/10Ah为样体,建立数学模型进行温升的数值计算。
2.1.1电池参数
额定电压:
3.7V;
电池容量:
10Ah;
电池组外型尺寸:
长度156.5mm,宽度59.5mm,厚度9.2mm;
电池标称内阻:
R0=15.0mΩ;
电池组的物性参数为:
ρ=2540kg/m3,Cp=1.65kJ/（kg·
℃,λ=0.345W/（m·
℃;
电池初始温度:
t0=20℃;
电池周
围流体温度:
tf=20℃。
换热系数[4]的确定:
各面换热系数h由对流和辐射换热系数组成,由失算迭代法确定,h=8.75~11.71W/（m2·
K。
2.1.2电池发热量
电池内部反应热共有四部分:
反应热、极化热、副反应热、焦耳热。
对于氢镍电池因为有氧气析出,不可避免的会与氢气
发生反应,会有副反应热产生。
对于锂离子电池来说,这部分热量几乎为零。
因此对于锂电池,我们可以只考虑剩下的三部分热量[5]。
（1反应热（即peltier热:
Q1=Q/F×
3600×
I=0.0373QI=0.0104QI（W
Q为化学反应过程正负极产热量代数和,kJ/mol;
F为法拉第常数,96484.5C/mol;
I为放电电流,A。
（2极化热:
Q2=I2Rpd;
Rtd=Rpd+Re
Rpd为极化内阻;
Re为电子流动过程中内阻;
Rtd为电池放电过程中总内阻,可以由测量得出。
（3焦耳热:
Q3=I2Re;
QZ=Q1+Q2+Q3=Q1+I2Rpd+I2Re=Q1+I2（Rpd+Re=Q1+I2Rtd;
QZ=0.0104QI+I2Rtd（W
根据文中所得到的结果可以知道当电池温度达到70~80℃时,反应热占了电池总产热量的很大一部分比重;
而在小于上述温度放电时,焦耳热占的比重比较大。
一般锂电池的正常工作温度为-20~55℃,因此,锂电池正常工作的发热量可以简化为:
QZ=I2Rtd（W,则单位体积电池自身发热功率:
qv=（I2Rtd/V（W/m3式中:
V为电池单体几何体积,m3。
2.1.3数学导热方程计算电池三维非稳态导热方程为:
。
边界条件:
l=78.25mm,t0=tf=20℃。
2.2模拟计算
2.2.1不同SOC下稳态持续放电后电池温度
不同SOC下稳态持续放电后电池温度如图3。
1.3
1.01.11.20.8
0.9RR
0.0
1.0
0.8
0.60.40.2
SOC
−15
50
图1（b内阻随SOC变化曲线
Fig.1（bPerformanceofinternalresistanceonSOC
1.251.00
1.101.200.85
0.90
0.951.051.151.251.001.101.20
0.850.90
0.951.05
1.15RR
0.11.00.80.60.40.20.90.70.50.3260330320310
300290280270S
O
CT/K图2电池内阻随温度和SOC变化趋势
Fig.2DependanceofinternalresistanceonSOC
Á
Â
qttc+∇⋅∇=∂∂λτ
ρ（|（|ddÁ
Ã
tthx
t
−=−==λRC
=3C
2C
1C
20406080
100020406080
−20
−40−60
−80
x/mm
图3（a100%SOC时,中心线上温度曲线Fig.3（aCenterlinecurvesat100%SOCRC
020406080
图3（b30%SOC时,中心线上温度Fig.3（bCenterlinecurvesat30%SOC
研究
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