聚合物锂离子电池温升及散热特性研究.pdf

聚合物锂离子电池温升及散热特性研究.pdf

《聚合物锂离子电池温升及散热特性研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《聚合物锂离子电池温升及散热特性研究.pdf（4页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

聚合物锂离子电池温升及散热特性研究李茂德，李义，周方（同济大学机械工程学院，上海201804）摘要：

对聚合物锂离子电池组在大功率输出过程中，由于内阻功耗引起的温升特性建立最大温升和最小温升模型。

并对叠片式散热建立数学模型并进行了数值计算。

通过分析研究得知，电池组的温升效应明显，采用适当散热布置时，电池内部的温升效应可以得到有效抑制。

关键词：

聚合物锂离子电池；温升；散热；肋片效率中图分类号：

TM9129文献标识码：

A文章编号：

1002087X（2010）090885-04ResearchoftemperaturerisingandheatdissipationoflithiumionpolymerbatteryLIMaode，LIYi，ZHOUFang（MechanicalEngineetqngCollege，TongfiUniversity,Shanghai201804，ChinaAbstract：

Inthepaper，theresearchoftemperaturerisingcausedbypowerdissipationofIithiumionpolymerbattewasmadeintheprocessofhighpoweroutput，whichincludedthetheoreticalanalysisofitstemperaturerisingofmaximumandminimumvalueandnumericaIcomputationundersomeconditionsThenumericalandtheoreticaIresuitsshowthatthetemperaturerisingcausedbypowerdissipationcanbecontrolledwhenthefinconstructionisproperlyarrangedKeywords：

lithium-ionpolymerbanery；temperaturerising；heattransfer；finefficiency聚合物锂离子电池具有较高的蓄电能量密度、较低的自放电率、无记忆效应以及对环境无污染等特点，在大功率蓄电应用中占有非常重要地位【lI。

目前，大功率单体聚合物锂离子电池已经达到1O100Ah，其为车辆等其他大功率电动力应用和空间电源储蓄应用创造了有利条件。

但是，聚合物锂离子电池在使用过程中，当出现大功率输出时容易引起温升损伤或破坏2-31。

尽管已经采用多种限流控温保护措施，但是其中的温升仍难以控制。

本文主要对聚合物锂离子电池的温升机理进行分析研究，并通过本体温升规律分析和散热布置的数值计算得出多种延伸长度散热片和换热系数下的温度分布曲线，从中分析得m了可供实际使用的散热片长度和换热系数数据。

1温升模型分析大功率聚合物锂离子电池一般由多个单体电池组合而成。

根据锂离子电池的电化学特性，其单体标准电势为36V，容量Q（Ah）可以根据需要进行设计和生产，典型的电池组如图1所示。

其中由电池单体及其组合、保护板和充放电系统等组成。

当电池输出大功率电流时，由于内部的电阻引起功耗发热，由此引起内部温升。

当散热不及时和温升速率过高时，可收稿日期：

20100327基金项目：

上海市自然科学基金资助项目（08ZR1419900）作者简介：

李茂德（1961一）。

男，上海市人。

副教授。

主要研究方向为工程传热技术厦应用。

885能损伤电池内部结构，使电池蓄电和放电能力下降，严重时破坏电池。

温升模型（图2）的分析主要包括最大温升、最小温升以及有散热条件下的温升规律等内容。

电池组图1锂离子聚合物电池组示意图绝热边界电池体图2电池绝热温升模型11最大温升模型最大温升模型是指电池处于绝热工况下，电池内部在功耗热源作用温度升高的数学模型。

分析中假设物性参数均为常数，比热为cD，密度为P，导热系数为A，表面积为F，体积为输出电流为内阻为足。

假设电池内部发热均匀，在初20109Vo134No9橡技不片和铝片的对称分割处取为绝热，单元网格取为边长为05mm的立方体（由计算稳定条件，时间步长取为T=000049s），如图5所示。

图6和图7为电池中心温度在不同外部换热系数和延伸长度下随时间变化的曲线对比。

由图6和图7中曲线的数据及规律可见，在初始500S内，电池中心温度的上升速率较大。

在2000S以后，温升趋势趋于定值。

不同的外部换热系数及散热片延伸长度下的数据对比可见，在h=8W（mz）和x=1040cm范围内，最大温度升高到约116oC，最小温度升高到约52。

在h=15W（m）和x=1040Cln范围内，最大温度仅升高到72，最小温度仅升高到38。

l20ll0lO09080警70605O403O20一一-_J_一r-二二二一-一h=81一=8。

=125露；二?

一矗h=8j=15*一h=8】l|7S俩一，=8x=2叠一=8，225I+一=8。

x=25-一h=83_一h=8x=4tls图6温度随散热片长度变化，h=8W（moc）807060芝50403020-_-h=lSl一h=lS茹=l5二一一一h=lS茹=175*_h=lS戚-h=lS-一=lS脚-一=lS倒05lmlIlII5Im2ol0250I3IHmf，s图7温度随散热片长度变化，h=-I5wl（n：

）从中可知，在电池安全使用的温度6O条件下，当h=8W（mz）时延伸长度要达到x-40cm，而h：

=15W（mz）时延伸长度只需达到r=175cm。

图8为电池在升温和散热达到平衡时，从中心O点沿Y或z方向x=0处温度的分布。

由图中温度分布曲线关系可见，随着散热片延伸长度和换热系数的增加，温度分布曲线整体下降，且在达到h=l5W（m）和x=175cm时，温度数值小于56。

图9为散热片在电池温度变化达到稳定时，其上具有的温度分布。

由其温度分布曲线可见，散热片上温度几乎处于均匀状态。

在达到h=-I5W（m）和x=175cm时，温度仅约为53。

在本文散热片设计中采用lmrn厚度的铝片，其导热系数大，取为截面均匀温度进行了沿高度方向的一维肋片散热计算，结果是合理的。

8872Ol0009080706050离中心的距离cmh=815W（m1x=10225cm图8电池内部最高温度分布铝片各点离电池的距离cm=815W（m21，x=10225cm图9延伸肋片温度分布23散热片的效率分析从上述铝片的长度变化引起散热特性可见，散热片延伸长度对散热的影响是明显的。

假设可以取一维导热的直肋的散热进行分析，且设肋片的根部温度等于电池端部温度，四周换热系数相等，流体温度均匀为常数，顶部与侧面有相同换热方式，则可得肋片的温度及效率如式（6）和式（7）所示_7J。

O=Ooexpmb（x1-2）+Eexp（-mx）E+exp（-2ml，）（6）=【cH卜th（ml）【（珊J+c）（1+cth（ml）（7）=EOiAli（1Oo）（8）式中：

=ftf，J=4-82，m=（2ha6），c=hmA，B=（1+c）（1一c），Oi=一ff，岛一tf，A1为延伸部分单元长度，n为延伸部分单元数，为延伸部分肋片长度，l=nAl。

对效率分别进行计算，并将前述温度数值计算结果按式（8）肋片效率钾计算，得到效率结果比较如图10所示。

1009692888480丁II篇Il二嚣、肋片参数ml图10延伸散热片的效率特性曲线由图中效率曲线可见，数值计算的效率比理论模型效率公式（7）计算结果较小一些，且随着肋片参数mJ的增大，其差值也增大。

当埘j04时，一约为2。

从上述计算的肋片效率的数据可见，效率均大于95，因此，散热肋片的性能较好。

3绝热温升实验为了解电池在充放电过程中的实际温升规律，进行了绝热过程充放电温升实验。

其中采用的电池为某公司生产的锰酸锂（LiMnO）和磷酸铁锂（LiFePO）聚合物铝塑封装片状电池。

规格分别为：

锰酸锂：

50mm150mm4mm，20109Vo134NO937V2400mAh；磷酸铁锂：

451YIITI65rfllq6miil，32V1600mAh。

取相同的充放电倍率进行温升实验及数据分析比较。

实验数据如图11和图12所示。

as图11磷酸铁锂电池充放电过程温升实验5O4030201oo6oo1200180024003O0036oots图12锰酸锂电池充放电过程温升实验由图11的实验数据可见，在绝热过程中以05C充放电时，温升f数值达到46。

根据大量的资料表明，当放电倍率增大到20C时，其温升f数值预计可以达到5O以上。

由图12的充放电实验数据可见，锰酸锂电池在以10C倍率充电时，温升f最大值达到6。

而以10C倍率放电过程中，温升f最大值达到25。

根据电池生热功率p=-I2R预