1、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 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
2、,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 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
3、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 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
4、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 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
5、 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 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
6、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 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：
7、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
8、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 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
9、 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 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
10、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 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
11、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。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
12、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 60 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
13、 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 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
14、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 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
15、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 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
16、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预计，当长时间进行放电倍率 2 0 C放电时，其绝热过程最大温升 f 可能超过 5 0。即，
17、若初始 条件为环境温度 l a=2 0，则 电池 温度可能达 到 A t=7 0。其已经超过普通电池安全温度（6 O）上 限。上述实验数据与理想绝热条件下电池的温升模型曲线 见式（2）相比，温度变化趋势基本相同，但变化规律以及实 验范围内的最大温升数值有一定误差。对于磷酸铁锂电池，理 想温度与实验放电温度之间温差最大值约 为 4。对于锰酸 锂电池，理想放电温度与实验放电温度之 间温度差值约为 2 5。根据已有实验数据可以得到的初步解释是 电池 的内阻 随温度及容量变化引起放电过程 内部热源变化 的结 果。如果 进一步进行内阻变化特性实验，精确测定电池的比热容、密度 以及导热系数，理想温升模型
18、见式（2）】的计算精度可以得到 提高。4 结论 本文对聚合物锂离子 电池及 其在添加散热 片的条件下 的 温升特性进行 了分析计算，通 过取 绝热升温过程 得到最大升 温规律，通过取四周良好散热取得最低温升规律。对电池组温 升实际过程进行了分析，并经过添加散热片的散热过程数值 计算，得出了不同散热片延伸长度下电池内部最高温度的变 化关系。外部对流换热系数和散热 片长 度同时对 电池 内部 温度分 布有重要影响。由本文的数据表 明，在本文 电池 参数下，达到 h-1 5 W（m ）和 x=1 7 5 c m 时，电池 中心最高温度数 值小于 6 0。而 当外部散热 的对 流换 热系数为 h-8
19、W（m2 ）时，散 热片的延伸长度要达到 x=4 0 c m时，最大温度数值才能降到 5 5以下。从肋片的理论模型效率和散热数值计算的效率结 果 比较看见，效率均大于 9 5，但理论计算的效率偏大，且其 随肋 片参 数 m 的增加而上升，应该 予以注意。通过绝热过程充放 电实验温升 的数据 可知，在长 时问高 倍率充放 电过程 中，电池温升是 明显的，应予注意。因此，要有效降低电池内部功耗引起的温升，必须分析散 热特性，并合理设计散热片与电池的组合结构以及进行合理 有效 的通风布置。参考文献：1 S P UR R E T T R，T HWAI T E C，S L|MM M L i t h i
20、u m i o n b a t t e ri e s f o r s p a c e C P r o c e e d i n g s o f S i x t h E u r o p e a n S p a c e P o w e r C o n f e r e n c e Op o r t o：E u r o p e a n s p a c e p o we r c o nr e n c e，2 0 0 2：47 7 4 8 2 2 S MI T H K，WANG C Y P o w e r a n d t h e r ma l c h a r a c t e ri z a t i o n o
21、 f a l i t h i u m i o n b a t t e r y p a c k for h y b ri d e l e c t ri c v e h i c l e s J J o u rna l o f P o we r S o u r c e s，2 0 0 6，1 6 0：6 6 2-6 7 3 3 KE YS E R M T h e r ma l e v a l u a t i o n a n d p e r f o r ma n c e o f h i g h p o w e r l i t h i u m i o n c e l l s C Be i j i n g
22、：P r o c e e d i n g s o f 1 6 I n t e r n a t i o n a l E l e c tr i c Ve hi c l e S y mp o s i u m，1 9 9 9 4 C HE N Y F，E VA NS J W He a t t r a n s f e r p h e n o me n a in l i t h i m n p o l y-me r e l e c t r o l y t e b a t t e ri e s for e l e c t ri c v e h i c l e a p p l i c a t i o n J
23、J o u rna l o f t h e E l e c t r o c h e mi c a l S o c i e ty，1 9 9 3，1 4 0（7）：1 8 3 3 1 8 3 8 5 S ON G L，E VA NS J W Me a s u r e me n t o f t h e t h e rma l c o n d u c t i v i ty o f l i t h i u m p o l y me r b a t t e ry c o mp o s i t e c a t h o d e s J】J o u r n a l o f t h e E l e c t r
24、o c h e mi c a l S o c i e ty，1 9 9 9，1 4 6（3）：8 6 9 8 7 1 6 C H E N Y F，E V ANS J W T h r e e d ime n s i o n a l t h e rma l mo d e l i n g o f l i t h i u m-p o l y me r b a t t e r i e s u n d e r g a l v a n o s t a t i c d i s c h a r g e a n d d y n a m i c p o we r p r o f i l e J J E l e c t r o c h e m S o c，1 9 9 4，1 4 1（1 1）：2 9 4 7-2 9 5 5 2 0 1 0 9 V o I。3 4 N o 9 8 88 8 7 6 S 4 3 2
