锂离子电池内阻变化对电池温升影响分析

1、收稿日期:2009-08-31基金项目:上海市自然科学基金项目(08ZR 1419900 作者简介:张志杰(1982 , 男, 河北省人, 硕士生, 主要研究方向 为动力电池热现象; 导师:李茂德(1961 , 男, 上海市人, 副教授, 主 要研究方向为强化传热, 动力电池热现象等 。B i ogr aphy:ZH A N G Zhi -j i e (1982 , m al e, candi dat e f or m ast er ;t ut or :LIM ao-de(1961 ,m al e,associ at e pr of essor .128锂离子电池内阻变化对电池温升影响分析张志

2、杰, 李茂德(同济大学 机械工程学院, 上海 201804摘要:对聚合物锰酸锂电池的内阻进行了实验, 得出了随温度和容量的变化关系拟合方程 。 在此基础上对单片动力电 池在取定值内阻和变内阻下的放电过程温升特性进行了数值计算 。 结果表明, 内阻对给定条件下的温升有重要影响, 取定值内阻的温升计算结果误差较大 。 关键词:锂离子电池; 内阻; 温升 中图分类号:TM 912. 9文献标识码:A文章编号:1002-087X (2010 02-0128-03Effect of internal resistance on temperatre rising of lithium-ion batte

3、ryZHANG Zhi-jie, LI Mao-de(MechanicalEngineering College,Tongji University, Shanghai 201804, ChinaA bst r act :The i nt er nalr esi st ance ofpol ym er l i t hi um bat t er y w as t est ed and t he f i t t i ng equat i on ofi nt er nalr esi st ance agai nstt em per at ur e and capaci t y change w as

4、 obt ai ned. B ased on t he equat i on, t he m at hem at i calm odelt o si m ul at e t he si t uat i on oft he si ngl e bat t er y t em per at ur e r i si ng ata const antr esi st ance and var i abl e r esi st ance w as est abl i shed. The r esul t s show t hat t he r esi st ance has a si gni f i ca

5、nt i m pact on bat t er y t em per at ur e r i si ng under t he deci ded condi t i ons.The bat t er y t em per at ur e r i si ng w i l lhave a l ar gercal cul at i on er r orata const antr esi st ance. K ey w or ds:Li -i on bat t er i es;r esi st ance;t em per at ur e r i si ng 20世纪 70年代以来,由于石油资源和环境

6、问题的凸现, 汽车工业致力于发展清洁能源技术, 电动汽车具有低噪声 、 几 乎零排放 、 综合利用能源等突出的优点, 是当今解决能源 、 环 保等问题的重要途径, 无疑成为汽车工业未来的发展方向 。 而 电动汽车动力电池的性能在很大程度上决定了电动车的性 能, 与动力电池相关的技术一直是电动汽车研究的重要课题, 受到广泛关注 1。电池的内阻是电池最为重要的特性参数之一,它是表征 电池寿命以及电池运行状态的重要参数,是衡量电子和离子 在电极内传输难易程度的主要标志 。 内阻初始大小主要受电 池的材料 、 制造工艺 、 电池结构等因素的影响, 是衡量电池性 能的一个重要参数 。 对于锂离子电池而言

7、, 电池内阻分为欧姆 内阻和极化内阻 。 欧姆内阻由电极材料 、 电解液 、 隔膜电阻及 各部分零件的接触电阻组成 。 极化内阻是指电化学反应时由 极化引起的电阻, 包括电化学极化和浓差极化引起的电阻 2。电池实际内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所 受到的阻力 。电池内阻大, 会产生大量焦耳热引起电池温升导 致电池放电工作电压降低, 放电时间缩短, 对电池性能 、 寿命 等造成严重影响, 严重的甚至会产生爆炸 3。1动力电池内阻1. 1不同工况下电池内阻变化趋势内阻是动力电池的重要参数 。 电池的材料 、 制造工艺 、 电 池结构等因素对内阻均有重要影响 。 研究表明, 电池内阻与温 度

8、及 SOC (stateof charge 存在密切关系 。 本文以某型号 3.7V/10Ah 锰酸锂动力电池为样品, 采用脉冲放电法测定不同温 度和 SOC 工况下内阻的变化 。 实验数据及趋势如图 1和 2所 示 。 其中 R 为电池内阻, R 0为电池标称内阻 (25 , 0%SOC 。图 1(a, 电池内阻随温度升高呈下降趋势, 在温度低于 10 时,电池内阻随温度升高下降趋势明显,在高于 25 时, 电池内阻基本趋于稳定 。 图 1(b, 电池内阻随 SOC 变大呈 下降趋势, 当 SOC 小于 40%时, 电池内阻随 SOC 变大下降明 显, 在电池 SOC 大于 40%时, 电池

9、内阻基本趋于稳定 。0% SOC100% SOC30% SOC15% SOC1.301.001.101.200.800.9055102540205t /R R/Á图 1(a 内阻随温度变化曲线Fi g. 1(a D ependance ofi nt er nalr esi st ance ont em per at ur es研 究 与 设 计2010. 2V ol . 34N o. 21291. 2综合拟合电阻变化趋势将上述实验结果进行综合拟合,可以得出电池内阻随温 度和 SOC 综合变化趋势 (图 2 , 并得出综合拟合方程:R /R 0=-2.13-4.25S +4.52

10、15;103/T +0.27S 2-1.88×106/T 2+103S /T -1.5×10-2T 3+2.4×108/T 3-3.32×105S /T 2+4.04S 2/T 。式中:S 为电池 SOC (%, T 为电池温度, T =t +273, T (K, t ( 。2电池温升模型2. 1模型建立对于任何一个系统来讲,在设计阶段对其中的各个部件 建立比较实用的模型可以使系统的开发周期变短,开发费用 降低,由于锂离子电池型号各异,以上述聚合物锰酸锂电池 (3.7V/10Ah 为样体, 建立数学模型进行温升的数值计算 。 2. 1. 1电池参数额定电

11、压:3.7V ; 电池容量:10Ah ; 电池组外型尺寸:长 度 156.5mm ,宽度 59.5mm ,厚度 9.2mm ;电池标称内阻:R 0=15.0m ; 电池组的物性参数为:=2540kg/m3, C p =1.65kJ/(kg· , =0.345W/(m· ; 电池初始温度:t 0=20 ; 电池周围流体温度:t f =20 。换热系数 4的确定:各面换热系数 h 由对流和辐射换热系 数组成, 由失算迭代法确定, h =8.7511.71W/(m2·K 。 2. 1. 2电池发热量电池内部反应热共有四部分:反应热 、 极化热 、 副反应热 、 焦耳热

12、。 对于氢镍电池因为有氧气析出, 不可避免的会与氢气发生反应, 会有副反应热产生 。 对于锂离子电池来说, 这部分 热量几乎为零 。 因此对于锂电池, 我们可以只考虑剩下的三部 分热量 5。(1反应热 (即 peltier 热 :Q 1=Q /F ×3600×I =0.0373QI =0.0104QI (W式中:Q 为化学反应过程正负极产热量代数和, kJ/mol; F 为法 拉第常数, 96484.5C/mol; I 为放电电流, A 。 (2极化热:Q 2=I 2R pd ; R td =R pd +R e式中:R pd 为极化内阻; R e 为电子流动过程中内阻; R

13、 td 为电池 放电过程中总内阻, 可以由测量得出 。 (3焦耳热:Q 3=I 2R e ;Q Z =Q 1+Q 2+Q 3=Q 1+I 2R pd +I 2R e =Q 1+I 2(R pd +R e =Q 1+I 2R td ;Q Z =0.0104QI +I 2R td (W根据文中所得到的结果可以知道当电池温度达到 7080 时, 反应热占了电池总产热量的很大一部分比重; 而在 小于上述温度放电时, 焦耳热占的比重比较大 。 一般锂电池的 正常工作温度为 -2055 , 因此, 锂电池正常工作的发热 量可以简化为:Q Z =I 2R td (W, 则单位体积电池自身发热功率:q v =

14、(I 2R td /V (W/m3 式中:V 为电池单体几何体积, m 3。 2. 1. 3数学导热方程 计算电池三维非稳态导热方程为:。 边界条件:, l =78.25mm, t 0=t f =20 。 2. 2模拟计算2. 2. 1不同 S O C 下稳态持续放电后电池温度不同 SOC 下稳态持续放电后电池温度如图 3。1.31.01.11.20.80.9R R/Á0.01.00.80.60.40.2SOC155010图 1(b 内阻随 S O C 变化曲线Fi g. 1(b P er f or m ance ofi nt er nalr esi st ance on S O C

15、1.251.001.101.200.850.90R R/Á0.951.051.151.251.001.101.200.850.900.951.051.15R R/Á0. 11. 00. 80. 60. 40. 20. 90. 70. 50. 3260330320310300290280270 SO C T /K 图 2电池内阻随温度和 S O C 变化趋势Fi g. 2D ependance ofi nt er nalr esi st ance on S O CÁÂq t t c += ( |(|d d ÁÂÃÂ&

16、#195;t t h xt=R C=3 C2 C1 C2040608010002040608020406080t /x /mm图 3(a 100%S O C 时, 中心线上温度曲线 Fi g. 3(a C ent erl i ne cur ves at100%S O C R C=3 C2 C1 C02040608010002040608020406080t /x /mm图 3(b 30%S O C 时, 中心线上温度 Fi g. 3(b C ent erl i ne cur ves at30%S O C2010. 2V ol . 34N o. 2研 究 与 设 计2. 2. 2不同放电倍率下非

17、稳态放电时电池温度不同放电倍率下非稳态放电时电池温度如图 4。由上述图线可知:(1由图 3(a、 3(b和 3(c可以看出, 在电池稳态持续放电 后, 1.0C 倍率下电池中心稳定温度最高为 27.2 ,在 2.0C 和 3.0C 倍率下分别达到 48.8 和 84.1 , 电池放电倍率越 大电池温升越明显,特别是以 3.0C 持续放电后电池温升较 高, 对电池性能会有较大影响, 将图 3(a、 3(b和 3(c对比后可 以得出电池温升随 SOC 减小逐渐明显 。(2由图 4(a可以看出各曲线趋于重合, 说明电池在低倍 率 1.0C 下持续放电后, 不同 SOC 对电池温升影响不明显, 由 图

18、 4(b和 4(c可以看出, 当取 R =C 为常数时, 电池温升明显 低于取变化内阻的温升, 进一步说明 SOC 在电池高倍率放电 下对其温升影响更明显, 对比图 4(a、 4(b和 4(c可以看出不3本文对聚合物锰酸锂电池内阻进行实验测量,并对其拟 合得出内阻随温度和 SOC 变化的方程 。 用三维导热方程对电 池进行了温升计算 。 由结果分析可知, 取定值内阻与变化内阻 温升计算结果有较大差别,并且这种误差会随着放电倍率上 升而增大 。 因此, 分析研究内阻随温度与 SOC 变化关系对于 聚合物锰酸锂电池温升分析及其热管理有重要意义 。 参考文献:1卢世刚, 刘莎 . 电动汽车用动力电池的主要发展方向 J.资料产 业, 2005(4:49-54.2魏学哲, 徐玮, 沈丹 . 锂离子电池内阻辨识及其在寿命估计中的 应用 J.电源技术, 2009, 3(3:217-220.3SONG L, EVANS J W. Measurement of the thermal conductivity of lithium polymer batteryJ.Journal of the Electrochemical Society, 1999, 146(3:3.4李荫亭 . 传热学手册 M.北京:科学出版社, 1987:97-168.5SATO N.T