锂离子电池内阻变化对电池温升影响分析Word文档格式.docx

1、 关键词:锂离子电池; 内阻; 温升 中图分类号:TM 912. 9文献标识码:A文章编号:1002-087X （2010 02-0128-03Effect of internal resistance on temperatre rising of lithium-ion batteryZHANG Zhi-jie, LI Mao-de（MechanicalEngineering College,Tongji University, Shanghai 201804, ChinaA bst r act :The i nt er nalr esi st ance ofpol ym er l i t

2、 hi um bat t er y w as t est ed and t he f i t t i ng equat i on ofi nt er nalr esi st ance agai nstt em per at ur e and capaci t y change w as obt ai ned. B ased on t he equat i on, t he m at hem at i calm odelt o si m ul at e t he si t uat i on oft he si ngl e bat t er y t em per at ur e r i si ng

3、 ata const antr esi st ance and var i abl e r esi st ance w as est abl i shed. The r esul t s show t hat t he r esi st ance has a si gni f i cant i m pact on bat t er y t em per at ur e r i si ng under t he deci ded condi t i ons.The bat t er y t em per at ur e r i si ng w i l lhave a l ar gercal cu

4、l at i on er r orata const antr esi st ance. K ey w or ds:Li -i on bat t er i es;r esi st ance;t em per at ur e r i si ng 20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,

5、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

6、 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 （stateof charge 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, R 0为电池标称内阻 （25 , 0%SOC 。图 1（a, 电池内

7、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% SOC100% SOC30% SOC15% SOC1.301.001.101.200.800.9055102540205t /R R/图 1（a 内阻随温度变化曲线Fi g. 1（a D ependance ofi nt er nalr esi st ance ont em per at

8、 ur es研 究 与 设 计2010. 2V ol . 34N o. 21291. 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 /R 0=-2.13-4.25S +4.52103/T +0.27S 2-1.88106/T 2+103S /T -1.510-2T 3+2.4108/T 3-3.32105S /T 2+4.04S 2/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

9、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:R 0=15.0m ; 电池组的物性参数为:=2540kg/m3, C p =1.65kJ/（kg , =0.345W/（m ; 电池初始温度:t 0=20 ; 电池周围流体温度:t f =20 。换热系数 4的确定:各面换热系数 h 由对流和辐

10、射换热系 数组成, 由失算迭代法确定, h =8.7511.71W/（m2K 。 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 :Q 1=Q /F 3600I =0.0373QI =0.0104QI （WQ 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

11、流, A 。 （2极化热:Q 2=I 2R pd ; R td =R pd +R eR pd 为极化内阻; R e 为电子流动过程中内阻; R td 为电池 放电过程中总内阻, 可以由测量得出 。 （3焦耳热:Q 3=I 2R e ;Q Z =Q 1+Q 2+Q 3=Q 1+I 2R pd +I 2R e =Q 1+I 2（R pd +R e =Q 1+I 2R td ;Q Z =0.0104QI +I 2R td （W根据文中所得到的结果可以知道当电池温度达到 7080 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

12、作温度为 -2055 , 因此, 锂电池正常工作的发热 量可以简化为:Q Z =I 2R td （W, 则单位体积电池自身发热功率:q v =（I 2R td /V （W/m3 式中:V 为电池单体几何体积, m 3。 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, t 0=t f =20 。 2. 2模拟计算2. 2. 1不同 S O C 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。1.31.01.11.20.80.9R R0.01.00.80.60.40.2SOC1550图 1（b 内阻随 S O C 变化曲线

13、Fi g. 1（b P er f or m ance ofi nt er nalr esi st ance on S O C1.251.001.101.200.850.900.951.051.151.251.001.101.200.850.900.951.051.15R R0. 11. 00. 80. 60. 40. 20. 90. 70. 50. 3260330320310300290280270 SOC T /K 图 2电池内阻随温度和 S O C 变化趋势Fi g. 2D ependance ofi nt er nalr esi st ance on S O Cq t t c += （ |（|d d t t h xt=R C=3 C2 C1 C2040608010002040608020406080x /mm图 3（a 100%S O C 时, 中心线上温度曲线 Fi g. 3（a C ent erl i ne cur ves at100%S O C R C020406080图 3（b 30%S O C 时, 中心线上温度 Fi g. 3（b C ent erl i ne cur ves at30%S O C研 究