锂离子电池温度变化热模拟研究(3)

锂离子电池温度变化热模拟研究

研究与设计

小时，电池和外界的热量传递变慢，开始阶段电池的温度上升速度变慢，达到热箱温度所需的时间变长，但是电池自放热产生的热量在电池内部积累速度变大，造成电池内部温度的加速上升，当热量的积累达到临界时，引发了电池的热失控反应。热交换系数越小，从到达热箱温度到电池热失控所需要的时间越短。电池的热交换系数与电池外壳的材质，外表面状态和外界空气的流动有关，周围空气流动速度越快，电池的热交换系数越大。因此大体积的动力锂离子电池组中需要散热装置提高各单体电池周围空气的流动速度。２．１．３热辐射

电池和外界的热量交换效率还受到电池外壳热辐射的影响，图4给出了在相同热交换系数下有无热辐射时锂离子电池温度的变化[辐射系数0.2，σ=5.67×10－8W/(m2·K4)]。热辐射传热速率和温度的四次幂呈线性关系，热辐射的引入会改热辐射加快了电池与外界的热量传递，使电池变电池的温度。

到达热箱温度的时间变短，抑制了电池内部的热量积累。因此大体积的动力锂离子电池在设计时，需要对电池外壳进行加工处理，提高其热辐射系数。

图５电池大小对锂离子电池温度变化的影响

Ｆｉｇ．５Ｅｆｆｅｃｔｏｆｃｅｌｌｓｉｚｅｏｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｃｅｌｌｓ

少，从热力学角度看，电池内部的储能越多，材料所处的能量状态越高，热稳定越差，达到稳定态过程所释放的能量也越多。图6给出了处于满电和半电状态的电池在423K和428K热箱温度时，电池的温度变化。可以看出电池在半电状态时，内部产热造成的电池温度升高幅度较小，引发热失控的可能性变小，电池的热稳定性较好。

图６电池荷电状态对锂离子电池温度变化的影响

Ｆｉｇ．６ＥｆｆｅｃｔｏｆＳＯＣｏｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｃｅｌｌｓ

图４热辐射对锂离子电池温度变化的影响

Ｆｉｇ．４Ｅｆｆｅｃｔｏｆｒａｄｉａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｃｅｌｌｓ

２．２绝热实验

绝热环境中的锂离子电池丧失了和外界的热量交换，所有的内部放热量都作用于电池温度上升，通过对这种极端条件下电池热稳定性的模拟和研究可以更确切地知道电池可能存在的安全隐患。图7给出了锂离子电池在绝热条件下温度变化和升温速率变化，当电池温度达到368K后，在绝热条件下经过20h电池会进入热失控状态。电池在储存运输使用过程中，很多时候处于封闭或半封闭的环境中，此时电池已经接近于绝热状态，因任何原因引起的温度上升都有可能使电池

２．１．４电池大小

电池和外界的热量交换是通过表面进行的，而电池自放热产生的总热量与电池的大小直接相关。一般来说，电池越大，比表面积/体积=表面积所占的比例就越小[圆柱电池时，

2*(1/h+1/r)。式中：h指高度；r指半径。方形电池时，比表面积/体积=2*（1/a+1/b+1/c)。式中：a、b、c分别指长、宽、高]，电池内部产生的热量越不容易扩散到外界环境。图5给出了不同大小的锂离子电池在423K热箱条件下，电池的温度变化，可以看出，随着电池的变大，电池达到热箱温度所需时间增加，但是，由于电池内部放热量的增加，电池温度上升的幅度增当热箱温度为423K时，6大，引发电池热失控的可能性增大。层正极的模型电池几乎没有引起电池温度的上升；12层正极的模型电池出现的温度上升幅度为23K；18层正极的模型电池则引发了热失控反应。因此，为电池安全性考虑，在电池设计时，需要根据所选定材料的热参数确定该类单体电池的最大体积，比表面积所占的最小比例，以及合适的电池形状。

２．１．５荷电状态

锂离子电池的荷电状态（SOC）描述了电池储能量的多

图７绝热条件下锂离子电池温度和升温速率的变化Ｆｉｇ．７Ｃｕｒｖｅｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅｏｆｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ

ｃｅｌｌｓｕｎｄｅｒａｄｉａｂａｔｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

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２０１０．１Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．１