文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123313
动力汽车用锂离子电池热结构的优化
张国庆*,张云云,张文静,张江云,王子缘
(广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006)
(Tel:**********.Email: pdzgq008@)
摘要:锂离子电池使用时热的安全性直接制约了锂电池的广泛应用,所以研究锂离子电池热特性具有重要的意义。本文采用实验与模拟相结合的方法来研究电池放电时的产热特性和电池内外部的温度分布。比较了在放电倍率为1C情况下实验所得的温度与模拟所得温度,并用模拟的方法研究在相同放电倍率下不同截面的电池的温度分布特点。研究发现实验与模拟所得的数据的差值在5%以内和厚度较薄的电池的温度分布均均匀且散热能力较强。
关键词: 锂离子电池;产热速率;温度;模拟
0前言
锂离子具有比能量高、工作电压高、应用温度范围宽、自放电率低、循环寿命长、无污染和安全性能好等独特的优势,现已广泛用作便携式电子设备的电源[1]。随着不可再生能源石油、煤和天然气的减少和温室效应的增加,锂离子电池越来越多的作为动力设备用于各种行业中,其中目前广泛研究的是将锂离子电池应用于纯电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)。当锂离子电池用作动力设备的供应电源时必须有足够大的容量。容量的增加将导致电池的尺寸加倍。一方面,尺寸的增大会增加电池的散热热阻,使电池的温度急剧上升进而影响电池的循环使用寿命和使用安全性[2]。例如:1988年日本Moli公司生产的手机用LI/LiyMoS2电池发生燃烧事故;1995年Apple公司在测试新生的的PowerBook5300笔记本是发生爆破,2011年4月杭州街头众泰朗悦EV出租车发生自燃。2011年07月上海电动公交车突然自燃。这些事故凸显了锂离子电池在使用过程中控制温度的重要性。另一方面,电池的尺寸增大就会出现电池温度分布不均衡性增加,使局部温度过高导致电池的性能衰退[3]。经研究发现锂离子电池的工作温度范围是-10-55℃[4-5]。目前国内外在控制电池温度和均衡性的方面主要有两种方法:a加电池辅助散热系统;b 设计合理的单体电池结构。
目前在市场上用的电池辅助散热系统主要有:空气冷却系统(ACS)、液体冷却系统(LCS)和相变冷却系统(PCMCS)。在国外,美国S. Al-Hallaj等的相关研究人员[6]主要就相变材料冷却系统展开研究;在国内,华南理工大学饶中浩[7-10]等围绕各种冷却或加热方式,展开了大量的研究工作。ACS设计简单,维护成本低但冷却效果不佳; LCS冷却效果好,价格昂贵且存在漏液的风险;PCMCS技术还不成熟。
无论是那一种散热系统总是存在着不足之处,而且加电池辅助散热系统不能从根源上解决电池的产热和散热的问题。所以在设计电池时满足容量等性能的前提下电池的结构应满足电池在使用过程中尽可能产生更少的热量和最有利于散热来保证电池使用的安全性。在锂离子电池的结构热优化方面国内外专家做了大量的研究。首先Bernardi et al[11-12]建立了比较完整的能量守恒方程为研究电化学反应热、相变、混合效应和焦耳热提供了基础。Inui et al [13]
建立了瞬态的二维和三维模型,给出温度、荷电状态和电流的位置函数。K. Smith, et al [14]建立反馈式模型