聚合物锂离子电池温升及散热特性研究.pdf

1、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 2 0 1 8 0 4)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：TM 9 1 2 9 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2 0 8 7 X(2 0 1 0)0 9 0 8 8 5-0 4 Re s e a

2、 r c h o f t e mpe r a t u r e r i s i n g a n d h e a t d i s s i p a t i o n o f l i t h i u m i o n p o l y me r b a t t e r y LI M a o de，LI Yi，ZHOU F an g (Me c h a n i c a l E n g i n e e t q n g C o l l e g e，T o n g fi U n i v e r s i ty,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，C h i n a Ab s t r a c t：I

3、 n t h e p a p e r，t h e r e s e a r c h o f t e mp e r a t u r e r i s i n g c a u s e d b y p o we r dis s i p a t io n o f I it h i u m i o n p o ly me r b a t t e wa s ma d e i n t h e p r o c e s s o f h i g h p o we r o u t p u t，wh i c h i n c l u d e d t h e t h e o r e t i c a l a n a ly s

4、i s o f i t s t e mp e r a t u r e r i s i n g o f ma x i mu m a n d mi n i mu m v a l u e a n d n u me r i c a I c omp u t a t io n u n d e r s o me c o n d i t ion s Th e n u me r ic a l an d t h e o r e t i c a I r e s u it s s h o w t h a t t h e t e mp e r a t u r e r i s i n g c au s e d b y p

5、 o we r d i s s i p a t i o n c a n b e c o n t r o l le d wh e n t h e f i n c o n s t r u c t i o n is p r o p e r ly a r r a n g e d K e y wo r d s：l i t h i u m-i o n p o ly me r b a ne r y；t e mp er a t u r e r i s i n g；h e a t t r a n s f e r；f i n e ff i c i e n c y 聚合物锂离子电池具有较高的蓄电能量密度、较低的自

6、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【l I。目前，大功率单体聚合物锂离子 电池已经达到 1 O 1 0 0 Ah，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2-3 1。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

7、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 3 6 V，容量 Q(A h)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：2 0 1 0 0 3 2 7 基金项目：上海市自然科学基金资助项目(0 8 Z R 1 4 1 9 9 0 0)作者 简介：李茂德(1 9 6 1 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。88 5 能损

8、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 1 1 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 c D，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 2 0 1 0 9 Vo 1 3 4 No 9 橡 技 不 片和铝片

9、的对称分割处 取为绝 热，单 元 网格取 为边长 为 0 5 mm的立方体(由计算稳定条件，时间步长取为 T=0 0 0 0 4 9 s)，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 5 0 0 S 内，电池 中心温度 的上 升速率较 大。在 2 0 0 0 S 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=8 W(mz )和 x=1 0 4 0 c m 范 围 内，最 大温 度升 高到 约 1 1 6 o C，最 小 温度 升高到约

10、 5 2。在 h=1 5 W(m )和 x=1 0 4 0 C l n范 围内，最大温度仅升高到 7 2，最小温度仅升高到 3 8。l 20 l l 0 l O0 90 80 警7 0 60 5 O 4 0 3 O 2 0 一 一-_ J _ 一 r-二 二 二 一 -一 h=8 1 一=8。=1 2 5 露；二?一 矗 h=8 j=15 *一 h=8】l|7 S 俩 一 ，=8 x=2 叠 一=8，2 2 5 I +一 =8。x=2 5 -一h=8 3 _ 一h=8 x=4 t l s 图 6 温度 随散热 片长度变化，h=8 W(m o c)8 0 7 0 6 0 芝 5 0 4 0 30

11、 2 0 -_-h=l S l 一h=l S 茹=l 5 二一一 一 h=lS 茹=1 7 5 *_ h=lS 戚-h=l S-一=l S 脚-一=l S 倒 0 5 l m l I l I I 5 I m 2 o l 0 2 5 0 I 3I H m f，s 图 7温度随散热片长度变化，h=-I 5 wl(n：)从 中可知，在 电池安全使 用的温度 6 O条件下，当 h=8 W(mz )时延伸长度要 达到 x-4 0 c m，而 h：=1 5 W(mz )时延伸长度只需达到 r=1 7 5 c m。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

12、。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=l 5 W(m )和 x=1 7 5 c m时，温度数值小 于 5 6。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=-I 5 W(m )和 x=1 7 5 c m时，温度仅 约为 5 3。在本文散热片设计中采用 l m r n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。887 2 O l 0 0 0 9 0 80 70 6

13、0 5 0 离 中心的距 离 c m h=8 1 5 W(m 1 x=1 0 2 2 5 c m 图 8 电池内部最高温度分布 铝 片各 点离 电池 的距离 c m =8 1 5 W(m2 1，x=1 0 2 2 5 c m 图 9延伸肋片温度分布 2 3 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_7 J。O=O

14、 o e x p mb(x 1 -2)+E e x p(-mx)E+e x p(-2 ml，)(6)=【c H 卜 t h(ml )【(珊J +c)(1+c t h(ml )(7)=E O i A l i(1 O o)(8)式 中：=f t f，J =4-8 2，m=(2 h a 6)，c=h mA，B=(1+c)(1 一c)，O i=一f f，岛 一t f，A 1 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=n A l。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 1 0所 示。1 0 0 9 6

15、9 2 8 8 8 4 8 0 丁 I I 篇I l二 嚣、肋 片 参 数 ml 图 1 0 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j 0 4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 9 5，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(L i Mn O )和磷酸铁锂(L i F e P O )聚合物铝塑封装片状电 池。规 格 分

16、别 为：锰 酸 锂：5 0 mm 1 5 0 mm 4 mm，2 01 0 9 V o 1 3 4 NO 9 3 7 V 2 4 0 0 mA h；磷 酸 铁 锂：4 5 1 Y I IT I 6 5 r f l lq6 mi i l，3 2 V 1 6 0 0 mA h。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 1 1 和图 1 2所示。as 图 1 1 磷酸铁锂 电池充放电过程温升实验 5 O 4 0 3 0 2 0 1 o o 6 o o 1 2 0 0 1 8 0 0 24 0 0 3O 0 0 36 o o t s 图 1 2锰酸锂 电池充放电过程温升实验 由图 1 1 的实验 数据可见，在绝热过程 中以 0 5 C充放 电 时，温升f 数值达到4 6。根据大量的资料表明，当放电倍 率增大到 2 0 C时，其温升 f 数值预计可以达到 5 O以上。由图 1 2的充放 电实验数据可见，锰酸锂电池在 以 1 0 C 倍率 充电时，温升 f 最大值达 到 6。而 以 1 0 C倍率放 电 过程中，温升 f 最大值达到 2 5。根据电池生热功率 p=-I 2 R预