锂离子动力电池温升特性的研究动力电池的制作与性能研究

2010(Vol.32)No.4张志杰,等:锂离子动力电池温升特性的研究 　321

电池组电流Ib为

Ib=NPIc

式中Ic为串联组电流,A。113　电池功率

(1)实际电池规格:36V/12A h,内阻为

(3)

Ω。电池外形尺寸:150mm×100mm×92mm。150m

在电池模型中,电池单体为铝塑包装,叠加后电池材料基本为均质材料,并且假设电池物性参数如密度

ρ、比热cp和导热系数λ等不随温度变化。模型几

何形状取实际电池中心点为坐标原点,实际电池单体长度和宽度为模型中x和y方向:x=-75～75mm,y=-50～50mm,实际电池单体叠加方向为模型z方向:z=-46～46mm。实际电池和建立的模型如图1所示。

电池单体功率Pc为

PcPbNpNs

[4]

-

NpN(Ns-1)Ric+2Rt+

2NsRNp

Ic

2

(4)

式中Pb为电池组功率,W。114　锂电池发热量

电池内部反应热包括反应热、极化热、副反应热和焦耳热。镍氢电池因为有氧气析出,不可避免地会与氢气发生反应,产生副反应热池来说,这部分热量几乎为零,[5]

的3部分热量。

(5)反应热(1Q式中:Q,kJ/mol;I,。

2

(6)极化热　Q2=IRpd

式中:Rpd为极化内阻,Ω。

(7)Rtd=Rpd+Re

式中:Re为电子流动过程中内阻,Ω;Rtd为电池放电过程中总内阻,Ω。

2

(8)焦耳热　Q3=IRe

(9)电池总发热量　Qz=Q1+Q2+Q3

图1　实际电池和电池模型

(2)电池的物性参数为:ρ=1930kg/m3,

cp=01910kJ/(kg K),λ=0175W/(m K);初始温

度t0=27℃,电池周围流体温度tf=27℃,Tf=tf+273。

(3)换热系数[6]主要由两部分组成,一部分为

对流换热系数hx,一部分为辐射换热系数hr,换热系数h=hx+hr。

外掠平板换热局部表面传热系数为

λ1/21/3

hx=01332RePr

x

根据文献[5]可知当电池温度达到70～80℃时,反应热占了电池总产热量的很大比例;而在小于上述温度放电时,焦耳热占的比例较大。一般锂电池的正常工作温度为-20～65℃,因此,锂电池正常工作的发热量可以简化为

2

(10)Qz=IRtd

单位体积电池自身发热功率

2

qV=IRtd/V

式中V为电池单体体积,m。

文中研究对象为聚合物锰酸锂电池,对于此类电池在高温下的反应热计算,目前资料较少,须在进一步的实验中验证,文中暂不考虑模拟计算。

3

(12)

式中:Re为雷诺数;Pr为普朗特数。

44

Cb(Tf-Tb)

辐射换热系数hr=

Tf-Tb

-8

2

4

(13)

(11)

式中:Cb为黑体辐射系数,5167×10m K;Tb为电池温度,K。

首先设t0=27℃,tf=27℃,计算出h,代入计算模型,经模拟计算后得出电池温度分布,再将此时电池温度作为初始值重新计算h,重新模拟计算,直至模拟计算温度与初始温度相差小于015℃时,停止迭代,计算出最终换热系数。最后经迭代计算得电

2

池各表面换热系数为h=8175～11171W/(m K)。

(4)电池三维非稳态导热方程描述为

2　混合动力电池散热模拟

211　电池参数及计算模型

以某厂家生产的聚合物锰酸锂电池(10支电芯串联)为例,计算电池温升特性。

TT+2+2+qVρcp=2

τ99x9y9z

222

(14)