锂离子蓄电池温度场分析

测试与分析

锂离子蓄电池温度场分析

王晋鹏

１，２

，胡欲立

２

（１．西京学院，陕西西安７１０１２３；２．西北工业大学航海学院，陕西西安７１００７２）

摘要：锂离子蓄电池凭借其性能优点在各方面都得到了大量应用，但其在应用过程中的发热问题不仅影响锂离子蓄电池的性能，也产生安全隐患。因此提出用有限元软件ＡＮＳＹＳ对Ｓｏｎｙ（ＵＳ１８６５０）型锂离子蓄电池进行温度场分析，并讨论了不同放电速率和对流换热系数对电池温度场的影响。结果表明，放电速率和对流换热系数对电池的温度场有着明显的影响。

关键词：ＡＮＳＹＳ；锂离子蓄电池；温度场中图分类号：ＴＭ９１２．９

文献标识码：Ａ

文章编号：１００２－０８７Ｘ（２００８）０２－０１２０－０２

ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｆｏｒＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ

ＷＡＮＧＪｉｎ－ｐｅｎｇ１，２，ＨＵＹｕ－ｌｉ２

ａｎＳｈａｎｘｉ７１０１２３，Ｃｈｉｎａ；（１．ＸｉｊｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ’

２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭａｒｉｎｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎＳｈａｎｘｉ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｉｓｕｓｅｄｉｎｌｏｔｓｏｆｆｉｅｌｄｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｂｕｔｉｔｓｅｘｏｔｈｅｒｍｉｃｑｕｅｓｔｉｏｎｉｓａｐｒｏｂｌｅｍｔｈａｔｍｕｓｔｂｅｃａｒｅｄ．ＩｔｎｏｔｏｎｌｙｃａｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ，ｂｕｔａｌｓｏｃａｎｂｒｉｎｇｓａｆｅｔｙｐｒｏｂｌｅｍｓ．ＴｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆＳｏｎｙＵＳ１８６５０Ｌｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇＡＮＳＹＳ，ｉｎｄｉｃａｔｅｓｄｉｓｃｈａｒｇｅｒａｔｅａｎｄｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＮＳＹＳ；Ｌｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ

锂离子蓄电池是继氢镍电池之后的新一代绿色高能可充体积小、比能量高、循环性能好、自放电电电池，具有电压高、

小、无记忆效应、无污染等突出优点，近１０年来得到了飞速的发展［１］。

但在锂离子蓄电池的使用过程中仍然存在很多问题，其中由于热量的产生而引起温度的升高就是一个很值得关注的问题。温度的升高将会引起电池内部的各种反应，包括ＳＥＩ膜嵌锂碳与粘结剂分解反应、嵌锂碳（ＬｉｘＣ６）与电解液的反应、的反应、电解液分解反应，以及正极材料的分解反应［２］。这些反应将会大大降低锂离子蓄电池的寿命。因此对锂离子蓄电池进行温度场分析是非常有必要的。我们利用有限元分析软件

不计；

（３）电池内部的各种材料是各向同性的，因此电池内部的温度只在径向上变化，在其它方向上不变；

（４）热量在电池内部是均匀产生的。

根据以上假设可以建立圆柱形锂离子蓄电池的一维瞬态传热数学模型：

ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇ

Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｏｆＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｉｎｃｌｕｄｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅｒａｔｅａｎｄｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．

∂t ∂t 1∂t

ρc λ+Q

=λ+∂τ∂r r ∂r

（１）

式中：ｔ———电池的温度，℃；ｒ———电池的密度，ｋｇ／ｍ３；ｃ———

℃）；ｔ—电池的比热容，Ｊ／（ｋｇ・——时间，ｓ；ｌ———电池的导热系℃）；ｒ—数，Ｗ／（ｍ・——电池的半径，ｍ；Ｑ———电池内部单位体

积的热生成率，Ｗ／ｍ３。

ＡＮＳＹＳ对Ｓｏｎｙ（ＵＳ１８６５０）型锂离子蓄电池进行了温度场分

析，并讨论了不同放电速率和不同边界条件对电池温度场的影响。

２内部生成热的确定

内部生成热的确定方法主要有两种：一是通过实验直接测量；二是通过公式计算，计算公式如下所示：

１锂离子蓄电池温度场分析的基本假设

（１）由于电池内部电解液的流动性很差，因此电池内部的对流换热可以忽略不计；

（２）电池内部辐射对散热的影响非常小，因此可以忽略

收稿日期：２００７－０７－０５

作者简介：王晋鹏（１９８２—），男，山西省人，硕士研究生，主要研究方向为机械电子工程。

Q =

I d E Á(E Á−E −t ) V d t （２）

式中：Ｑ———电池内部单位体积的热生成率，Ｗ／ｍ３；Ｉ———电——电池的总体积，ｍ３；ｔ———电池的温池的放电电流，Ａ；Ｖ—

度，℃；Ｅｏｃ———电池的开路电压，Ｖ；Ｅ———电池的工作电压，Ｖ。

经测量Ｓｏｎｙ（ＵＳ１８６５０）型锂离子蓄电池内部单位体积的热生成率随放电深度的关系如图１所示［３］。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＷＡＮＧＪｉｎ－ｐｅｎｇ（１９８２—），ｍａｌｅ，ｃａｎｄｉｄａｔｅｆｏｒ

ｍａｓｔｅｒ．

２００８．２Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．２

１２０

测试与分

析

利用这些数据分析了不同放电速率和不同对流换热为２５℃。

系数对电池温度场的影响。

４．１不同放电速率对电池温度场均匀性的影响

图３和图４分别表示了１Ｃ和Ｃ／２放电结束时电池温度场的分布情况。从图中可以看出当放电速率为１Ｃ，电池表面

Ｋ）时，放电结束后电池中心温度的对流换热系数为１０Ｗ／（ｍ２・

Ｃ、Ｃ／２、图１Ｓｏｎｙ（ＵＳ１８６５０）型电池在２Ｃ、

Ｃ／３、Ｃ／６放电时的热生成率

Ｆｉｇ．１ＨｅａｔｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆＳｏｎｙ（ＵＳ１８６５０）ａｔｄｉｓｃｈａｒｇｅｒａｔｅｏｆ２Ｃ，Ｃ，Ｃ／２，Ｃ／３ａｎｄＣ／６

和外壁温度的差为５．６９９℃；当放电速率为Ｃ／２，电池表面的

Ｋ）时，放电结束后电池中心温度与对流换热系数为１０Ｗ／（ｍ２・

外壁温度的差为３．２８７℃。说明放电速率越快，电池中心温度造成这个现与外壁温度的差越大，电池温度场的均匀性越差。

象的主要原因是：电池放电速率越快，电池的放电时间就越短，电池的散热时间就越短，电池内部产生的热量难以很快散发出去。

３ＡＮＳＹＳ有限元分析过程

ＡＮＳＹＳ的有限元分析过程包括三个步骤：

（１）建模和划分网格

利用ＡＮＳＹＳ的前处理程序，经过单元类型选择、材料参数的确定、几何建模、单元生成等步骤，建立锂离子蓄电池温度场的有限元分析模型，并对有限元的模型进行网格划分。由于柱形电池的对称性，所以选择电池横截面的四分之一进行建模，并选用二维热传导单元ＰＬＡＮＥ５５进行网格划分。完成的有限元模型如图２所示。

图３Ｋ），１Ｃ放电时电池温度场分布云图在１０Ｗ／（ｍ２・

Ｆｉｇ．３ＳｃａｔｔｅｒｇｒａｍｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｆｏｒＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙａｔ

１０Ｗ／（ｍ２Ｋ）ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄａｔ１Ｃ・

图２锂离子蓄电池温度场有限元模型

Ｆｉｇ．２ＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｆｏｒＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ

（２）加载和求解

完成建模和网格划分之后，用户可在求解阶段通过求解器获得分析的结果。在该阶段用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。本次分析的类型为瞬态分析，施加的载荷有温度载荷、对流载荷以及生成热载荷，载荷步数为每１０ｓ一步。

（３）后处理

在完成计算后，可以通过用户图形界面获得求解过程的计算结果，并对结果进行运算。这些计算结果可能包括位移、温度、应力、速度及热流等，输出形式有图形显示和数据列表两种。

图４

Ｋ），Ｃ／２放电时电池温度场分布云图在１０Ｗ／（ｍ２・ＳｃａｔｔｅｒｇｒａｍｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｆｏｒＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙａｔ１０Ｗ／（ｍ２Ｋ）ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄａｔＣ／２・

Ｆｉｇ．４

４．２不同放电速率对电池最高温度的影响

从图３可以看出，当放电速率为１Ｃ，电池表面的对流换

Ｋ）时，电池内部的最高温度为７５．６７８℃；从・热数为１０Ｗ／（ｍ２

图４可以看出，当放电速率为Ｃ／２，电池表面的对流换热系数

Ｋ）时，电池内部的最高温度为５２．１℃。为１０Ｗ／（ｍ２・说明电池

造成这个现象的放电速率越快，电池内部的最高温度就越高。

的主要原因是：电池的放电速率越快，电池的放电电流就越大，产生的热量就越多；放电速率越快，散热时间就越短，电池内部的热量难以很快散发出去。

（下转第１３１页

）

４结果分析

Ｓｏｎｙ（ＵＳ１８６５０）型锂离子蓄电池的性能参数如表１所示。

假设电池开始放电时的温度为２５℃，周围流体的温度

１２１

２００８．２Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．２

综述

ＳＨＡＣＫＬＥＤＲ．Ａｌｋａｌｉｍｅｔａｌｉｏｎｂａｔｔｅｒｙｅｌｅｃｔｒｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌ：ＵＳ，５７２１０７０［Ｐ］．１９９８－０２－２４．

［６］ＡＲＭＡＮＤＭ．Ｌｉｔｈｉｕｍｉｎｓｅｒｔｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓｂａｓｅｄｏｎｏｒ－

ｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ：ＵＳ，６０８５０１５［Ｐ］．２０００－０７－０４．

［７］ＤＯＭＩＮＫＯＲ，ＢＥＬＥＭ，ＧＡＢＥＲＳＭ，ｅｔａｌ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏ－

ｃｈｅｍｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＬｉ２ＭｎＳｉＯ４ａｎｄＬｉ２ＦｅＳｉＯ４ａｓｐｏｔｅｎｔｉａｌＬｉ－ｂａｔｔｅｒｙｃａｔｈｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００６，８：２１７－２２２．

［８］ＺＡＧＨＩＢＫ，ＳＡＬＡＨＡＡ，ＲＡＶＥＴＮ，ｅｔａｌ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ，ｍａｇｎｅｔｉｃ

ａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌｉｔｈｉｕｍｉｒｏｎｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ－ｎａｌｏｆＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，２００６，１６０：１３８１－１３８６．

［９］杨勇．可充锂电池用硅酸锰铁锂／碳复合正极材料及其制备方

法：ＣＮ，１８０３６０８［Ｐ］．２００６－０７－１９．

・・・・

［１０］ＮＹＴＥ＇ＮＡ，ＫＡＭＡＬＩＳ，ＨＡＧＧＳＴＲＯＭＬ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｌｉｔｈｉｕｍｅｘ－

ｔｒａｃｔｉｏｎ／ｉｎｓｅｒｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｉｎＬｉ２ＦｅＳｉＯ４［Ｊ］．ＪＭａｔｅｒＣｈｅｍ，２００６，１６：２２６６－２２７２．

［１１］ＮＹＴＥ＇ＮＡ，ＳＴＪＥＲＮＤＡＨＬＭ，ＲＥＮＳＭＯＨ，ｅｔａｌ．Ｓｕｒｆａｃｅｃｈａｒａｃ－

ｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｐｈｅｎｏｍｅｎａｉｎＬｉ２ＦｅＳｉＯ４ｓｔｕｄｉｅｄｂｙＰＥＳ／ＸＰＳ

［５］

［Ｊ］．ＪＭａｔｅｒＣｈｅｍ，２００６，１６：３４８３－３４８８．

［１２］ＣＨＵＮＧＳＹ，ＢＬＯＫＩＮＧＪＴ，ＣＨＩＡＮＧＹＭ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙｃｏｎ－

ｄｕｃｔｉｖｅｐｈｏｓｐｈｏ－ｏｌｉｖｉｎｅｓａｓｌｉｔｈｉｕｍｓｔｏｒａｇｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，２００２，１：１２３－１２８．

［１３］ＷＡＮＧＧＸ，ＮＥＥＤＨＡＭＳ，ＹＡＯＪ，ｅｔａｌ．ＡｓｔｕｄｙｏｎＬｉＦｅＰＯ４

ａｎｄｉｔｓｄｏｐｅｄｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓａｓｃａｔｈｏｄｅｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｂａｔ－ｔｅｒｉｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，２００６，１５９：２８２－２８６．

［１４］ＷＨＩＴＴＩＮＧＨＡＭＭＳ，ＳＯＮＧＹ，ＬＵＴＴＡＳ，ｅｔａｌ．Ｓｏｍｅｔｒａｎｓｉ－

ｔｉｏｎｍｅｔａｌ（ｏｘｙ）ｐｈｏｓｐｈａｔｅｓａｎｄｖａｎａｄｉｕｍｏｘｉｄｅｓｆｏｒｌｉｔｈｉｕｍｂａｔ－ｔｅｒｉｅｓ［Ｊ］．ＪＭａｔｅｒＣｈｅｍ，２００５，１５：３３６２－３３７９．

［１５］ＢＡＲＫＥＲＪ，ＳＡＩＤＩＭＹ，ＳＷＯＹＥＲＪＬ．Ｌｉｔｈｉｕｍｉｒｏｎ（ＩＩ）ｐｈｏｓ－

ｐｈｏ－ｏｌｉｖｉｎｅｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙａｎｏｖｅｌｃａｒｂｏｔｈｅｒｍａｌｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌａｎｄＳｏｌｉｄ－ＳｔａｔｅＬｅｔｔｅｒｓ，２００３，６：Ａ５３－Ａ５５．［１６］ＢＡＲＫＥＲＪ，ＳＡＩＤＩＭＹ，ＳＷＯＹＥＲＪＬ．Ａｃａｒｂｏｔｈｅｒｍａｌｒｅｄｕｃｔｉｏｎ

ｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｌｉｔｈｉｕｍｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２００３，１５０：Ａ６８４－Ａ６８８．

（上接第１２１页

）

４．３不同对流换热系数对电池温度场均匀性的影响

从图３可以看出，当放电速率为１Ｃ，电池表面的对流换

Ｋ）时，电池内部的最高温度为７５．６７８℃；从・热数为１０Ｗ／（ｍ２

图５可以看出，当放电速率为１Ｃ，电池表面的对流换热系数

Ｋ）时，放电结束后电池中心温度与外壁温・热数为１０Ｗ／（ｍ２

度的差为５．６９９℃；从图５可以看出，当放电速率为１Ｃ，电池

Ｋ）时，电池内部的最高温度为６３．２７１℃。说明・为１００Ｗ／（ｍ２

对流换热系数越大，电池内部的最高温度就越低。造成这个现象的主要原因是：电池表面的对流换热系数越高，电池内部的热量就越容易散发出去。

Ｋ）时，放电结束后电池中心・表面的对流换热数为１００Ｗ／（ｍ２

说明电池表面的对流换热系温度与外壁温度的差为２１．７７℃。

数越大，电池内部温度场的均匀性越差。造成这个现象的主要原因是：电池表面的对流换热系数越大，电池表面的散热就越快，而电池中心由于距表面较远，对流换热系数对其的影响较小。

５结论

用有限元软件ＡＮＳＹＳ对Ｓｏｎｙ（ＵＳ１８６５０）型锂离子蓄电池进行了温度场分析，分别得到了放电速率为１Ｃ，对流换热

Ｋ）时；放电速率为Ｃ／２，对流换热系数为１０・系数为１０Ｗ／（ｍ２

Ｋ）时；放电速率为１Ｃ，对流换热系数为１００Ｗ／（ｍ２Ｋ）Ｗ／（ｍ２・・

时，电池温度场的分布云图。结果表明，放电速率和对流换热系数对电池的温度场有着明显的影响。电池的放电速率越快，电池内部的最高温度就越高，电池温度场的均匀性就越差；电池表面的对流换热系数越大，电池内部的最高温度就越低，电池温度场的均匀性就越差。

参考文献：

［１］

图５

王新喜，宫志刚．锂离子蓄电池的研究进展［Ｊ］．舰船防化，２００５，３１（１）：１５－１９．

庞静，卢世刚．锂离子蓄电池高温反应及其影响因素［Ｊ］．电池工业，２００４，９（３）：１３６－１３９．

Ｋ），１Ｃ放电时电池温度场分布云图在１００Ｗ／（ｍ・

２

Ｆｉｇ．５ＳｃａｔｔｅｒｇｒａｍｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｆｏｒＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ

ａｔ１００Ｗ／（ｍ２Ｋ）ｄｉｓｃｈａｒｇｅｄａｔ１Ｃ・

［２］［３］

４．４不同对流换热系数对电池最高温度的影响

从图３可以看出，当放电速率为１Ｃ，电池表面的对流换

ＨＡＬＬＡＪＳＡ，ＭＡＬＥＫＩＨ，ＨＯＮＧＪＳ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｒｍａｌｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄ

ｄｅｓｉｇｎｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓｏｆｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｉｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅ，１９９９，８３（１）：１－８．

１３１

２００８．２Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．２