MH_Ni动力电池散热能力影响因素分析

115 测 试 与 分 析 收稿日期:2007-07-02 基金项目:国家“十五”“863”电动汽车重大专项基金资助 项目(2003 AA501100) 作者简介:林成涛(1977—) ,男,吉林省人,博士,主要研究方向 为电池组建模与管理。 Biography: LIN Cheng-tao(1977—) ,male,Ph D. 2008.2 Vol.32 No.2 MH-Ni动力电池散热能力影响因素 林成涛, 田光宇, 仇 斌, 陈全世 (清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084) 摘要:为了给金属氢化物镍电池(MH-Ni电池)散热能力优化设计提供定量依据,以 80 Ah MH-Ni动力电池为对象, 建立 MH-Ni电池热模型,分析表面对流传热系数、外壳导热系数和外壳厚度对 MH-Ni电池散热能力的影响。研究表 明,提高表面对流传热系数、外壳导热系数可以显著提高电池散热能力,但改变电池外壳厚度带来的影响如何要具体 情况具体分析。 关键词:MH-Ni电池;热模型;散热能力 中图分类号:TM912.2文献标识码:A 文章编号:1002-087 X(2008)02-0115-05 Analysisofinfluencefactorsonheatdissipationcapabilityfortraction Ni-MHbattery LINCheng-tao,TIANGuang-yu,QIUBin,CHENQuan-shi (TsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,Beijing100084,China) Abstract:To get the rules for the optimal design of the heat dissipation capability of traction Ni-MH battery, a three-dimension thermalmodelfor a 80 Ah Ni-MH battery was established to analyze the influences ofsurface heat transfer coefficient, battery cell shell thermal conductivity and battery cell shell thickness to the heat dissipation capability ofthis Ni-MH battery. Results ofthe analysis show that the heat dissipation capability oftraction Ni-MH battery improves by increasing surface heat transfer coefficient and battery cell shell thermal conductivity, the conclusion about how battery cell shell thickness affects the heat dissipation capability of traction Ni-MH battery should be drawn by case study. Key words:Ni-MH battery; thermalmodel; heat dissipation capability 温度对 MH-Ni动力电池的性能、安全性和寿命影响显著, 温度过高不仅损害 MH-Ni电池寿命,还可能引起 MH-Ni电池 热失控,造成车辆着火甚至影响乘客的人身安全。安全性是电 动汽车必须保证的基本要求,因此以 MH-Ni电池为动力源的 电动汽车必须配备电池热管理系统。MH-Ni电池热管理的效 果,一方面受热管理系统设计水平、功能的影响,另一方面和 MH-Ni电池本身的散热能力密切相关。 电池热模型描述电池生热、传热、散热的规律,能实时计 算电池内部温度场的变化。本文建立并运用 MH-Ni电池热模 型定量分析电池表面对流传热系数、电池单体外壳材料导热 系数和外壳材料厚度对MH-Ni电池散热能力的影响。研究工 作可为 MH-Ni电池散热能力的优化设计提供指导。 1 研究对象 本文以国内某单位研制的电动汽车用 80 Ah MH-Ni电池 为研究对象。图 1所示为 MH-Ni电池单体和模块,图 2所示 为 MH-Ni电池单体的结构示意图。图 3所示为配备了热管理 系统的电池箱,每个电池箱内装有 80个串联的电池单体。表 1给出了 MH-Ni电池单体的部分参数。 图1 MH-Ni电池单体和模块 Fig.1 Ni-MHcelland module 图2 MH-Ni电池单体结构示意图 Fig.2 Schematic diagram ofNi-MHcell 2008.2 Vol.32No.2 116 测 试 与 分 析 2MH-Ni电池热模型的建立 2.1电池热模型简述 电池热模型的本质是电池内部微元体的能量守恒方程。 假设组成电池的各种材料介质均匀,密度一致,同一材料的比 热为同一数值,同一材料在同一方向各处的导热系数相等;电 池充放电时,电池内部各处电流密度均匀。基于这些假设可得 到式(1)所示的直角坐标系三维热模型。国外研究机构较早 开始运用电池热模型研究电池的热管理问,如加州大学伯 克利分校[1]等。 (1) 式中:r为密度;Cp为比热;q为温度;t为时间;lx、ly、lz为 导热系数;q为生热速率。计算电池内部温度场的实质是求解 式(1)所示的导热微分方程。求解方程需要解决三个关键问 题:(1)热物性参数 r、Cp、l的准确获取;(2)生热速率 q的准确 表达;(3)定解条件(初始条件和边界条件)的准确确定。 2.2 获取MH-Ni电池热物性参数 MH-Ni电池单体由外壳、内核、集流体和螺母构成。电池 外壳材料为尼龙 66;内核由极片和隔膜交替叠压而成,在本 文中将其视为介质均匀的同一种材料;集流体和螺母的材料 均为黄铜,在电池内核与外壳之间有气隙。尼龙 66、黄铜和空 气的热物性参数由手册[2]查得。 内核材料比热和导热系数的准确获取是难点。内核材料 的比热基于表 2和表 3的有关参数用平均比热法计算得到。 其中的电池单体平均比热 Cp通过冷却法[2]实验测得。表 3所 示为 MH-Ni电池单体各材料在室温的热物性参数。 MH-Ni电池内核材料的导热系数很难测量,本文借鉴文 献[3]中的处理计算得到内核材料的导热系数。MH-Ni电 池中正极、负极和隔膜的导热系数计算公式为: (2) 式中:l为浸入液体后多孔材料的平均导热系数,e为多孔材 料孔隙率,lf为液体的导热系数,lm为未浸入液体的多孔材料 的导热系数。对于 MH-Ni电池,多孔材料指正极、负极和隔 膜,液体指 KOH电解液。表 4所示为算得的正极、负极和隔 膜的导热系数。 在得到 lp、ln、ls后,使用串联热阻和并联热阻的计算公 式求取电池单体在不同方向的导热系数,算得图 2所示电池 单体内核材料 x方向导热系数为 0.82W/(m·K),y、z方向导 热系数均为 0.9W/(m·K)。 2.3确定电池单体表面对流传热系数 MH-Ni电池热模型的边界条件用式(3)描述,建立边界 条件需要知道电池表面与周围流体间的对流传热系数 h、周 围流体的温度 及电池表面温度 q。 (3) 通过查阅文献[4]了解到,对于电池,在自然风冷(自然对 流)条件下,对流传热系数 h的典型值为 5W/(m2·K);一般强 度强制风冷散热条件 h的典型值为 10W/(m2·K);大强度强制 风冷散热条件 h的典型值为 25W/(m2·K);油冷散热条件 h的 典型值为 50W/(m2·K);水冷散热条件 h的典型值为 390W/ (m2·K)。由于电动汽车电池箱结构比较复杂,对于图 3所示电 池箱内的电池单体,本文使用计算流体力学方法对电池箱内 空气流场进行数值计算得到其表面对流传热系数。在室温及 图 3所示电池箱风扇全开的情况下,算得电池箱内典型电池 单体各表面平均对流传热系数为 8.95W/(m2·K)。 2.4选取生热速率模型 由于实施准确测量电池的生热速率非常困难,通常用数 学模型描述电池生热情况。美国伯克利大学 D.Bernardi提出 的 Bernardi生热速率 [5]使用最为广泛, 日本本田公司的 图3 额定电压为384V的MH-Ni电池组 Fig.3 Ni-MHbatterypackwithratedvoltageof384V ��� ��� �� C q t x y z θ θ θ θρ λ λ λ∂ ∂ ∂ ∂= + + + ∂ ∂ ∂ ∂ & f m (1 )λ λ ε λ ε= + − θ ∞ ( )h n θλ θ θ ∞ ∂  − = − ∂  . . 117 测 试 与 分 析 2008.2 Vol.32No.2 NoboruSato提出了分阶段的电池 Sato生热速率模型[6]。 基于试验数据比较 Bernardi、Sato两种生热速率,发现 Bernardi生热速率模型最适合本文的 MH-Ni电池。在使用 Bernardi生热速率时对模型进行了修正。具体模型如式(4) 所示: (4) 式中:m为修正系数,m在电池充电时(IL<0)取 0.692,在电池 放电(IL≥0)时取 1。Bernardi生热速率模型中 IL、UL、q为试 验记录的电池工作电流、工作电压和平均温度数据,E0为电 池单体开路电压,平衡电动势的温度影响系数 dE0/dq为实验 测量值 0.00167V/℃,VB为表 2中的多种材料体积 557937 mm3。 3MH-Ni电池热模型验证 3.1试验设计 利用热模型分析散热能力影响因素前,首先要热模 型的准确性。以电池单体为对象进行电池内部温度场的数值 计算,用电池单体的生热试验数据验证数值计算结果的准确 性。MH-Ni电池单体生热试验的内容为 C/2、1C的恒流充电 和恒流放电的生热试验,散热环境为自然风冷。图 4给出了生 热特性试验的温度测量点,试验中测量点 1～点 8的温度变 化。图 5所示为 MH-Ni电池单体 80A恒流充电和放电各测 温点的温度变化。图例中,“点 1、2_充”表示点 1和点 2温度 的平均值。为了方便验证后面电池单体内部温度数值计算结 果,图 5的横坐标用时间表示。 3.2网格模型 MH-Ni电池单体的网格模型采用正六面体网格和正四面 体网格混合的网格方案,网格共 67635个。为了提高计算准 确性,网格模型严格依据电池单体结构与材料。 3.3热模型准确性评价 在电池单体的恒流试验中,1C充电时间为 2880s。图 6 所示为 1C恒流充电电池单体点 1、点 9的计算温度和点 1、 点 8的试验温度。图中还给出了在充电终止时刻点 8的计算 温度。 从 1C恒流充电的数值计算结果与试验数据比较来看, 在试验结束时刻,各点数值计算结果与试验数据的误差都不 超过2℃。运用电池模型的计算结果,可以全面给出电池单体 内部各截面,各直线区域的温度分布,限于篇幅原因,这里没 有一一给出。在其他电流的充放电试验中,对于电池表面可测 量的各温度点,在试验进行过程中,测量温度和模型计算温度 的误差也都不超过 2℃,这说明本节使用的 MH-Ni电池热模 型是较为准确的。 4 运用热模型分析电池散热能力影响 因素 从电池设计与电池使用两个方面改进电池散热能力的具 体措施有:(1)通过优化热管理系统设计提高电池表面的对流 传热系数 h;(2)通过改变电池外壳的材料或厚度、优化电池内 部的散热结构等减小电池材料的热阻。运用电池热模型可以 为上述工作提供量化的依据。本节定量分析电池散热能力的 影响因素。在具体分析时使用MH-Ni电池单体 1C恒流充电 的试验数据,用图 4中线 1-2的温度变化描述影响因素的具 体影响。 4.1表面对流传热系数的影响 取 h分别为 5、8.95、25、50W/(m2·K)和 390W/(m2·K)五 个典型值进行计算。图 7所示为在 1C恒流充电 2880s时, 取不同 h时电池单体内部线 1-2的温度分布。图 8为充电 2880s时,电池单体内部的最大温度 qmax及线 1-2上的最大 温差 Dq。 由图 7和图 8可见,提高电池单体的表面对流传热系数, 将显著改善电池的散热。在本试验中,与自然对流相比,一般 d( ) d � � EIq E U V µ θ θ   = − −  & 图4 单体生热特性试验测温点 Fig.4 Temperaturemeasurementpointsofcell 图5 MH-Ni电池单体80A恒流生热特性试验温度变化曲线 Fig.5 TemperaturecurvesofNi-MHcellduring80Aconstant currentchargetest 图6 1C充电单体各点温度变化 Fig.6 Temperaturevariationofeverypointsforcell chargedat1C 2008.2 Vol.32 No.2 118 测 试 与 分 析 强度的强制风冷使电池最高温度降低 1.0℃,大强度的强制 风冷使电池最高温度降低 3.8℃,油冷使电池最高温度降低 5.7℃,水冷使电池最高温度降低 9.5℃。由图 8同时了解到, 对流传热系数 h越大,电池表面温度与内部最高温度的温差 也越高。 4.2外壳材料的影响 从传热学来看,改变电池外壳材料的效果就是改变电池 外壳材料的导热系数 lA。本节选取尼龙 66、不锈钢和黄铜三 种典型材料分析外壳材料导热系数对电池单体散热能力的影 响,对应的导热系数分别为 0.35、16.27、121W/(m·K)。在计算 电池单体内部温度场时,电池单体的表面对流传热系数 h取 为 8.95W/(m2·K),电池外壳材料的厚度均为 3mm。图 9所示 为在 1C恒流充电 2 880 s时,取不同 lA时电池单体内部线 1-2的温度分布。图 10为充电 2 880 s时,电池单体内部的最 大温度 qmax及线 1-2上的最大温差 Dq。由图 9和图 10可见, 通过电池外壳材料的优化选取提高外壳材料的导热系数 lA 能够显著改善电池的散热。在本试验中,与外壳材料尼龙 66 相比,使用不锈钢外壳可使电池最高温度降低 2.1℃,使用黄 铜外壳可以使电池最高温度降低 4.2℃。由图 10也同时了解 到,在导热系数 lA很小时,电池表面温度与内部最高温度的 温差较大,如材料为尼龙 66时,温差为 3.7℃。在导热系数较 大时,导热系数对电池表面与电池内部最高温度点温差影响 较小。如在图中外壳材料为不锈钢时温差为 2.3℃,外壳材料 为黄铜时温差为 1.9℃。 4.3单体外壳厚度的影响 本节选取 1、3、5 mm三个尺寸分析外壳厚度对电池单体 散热能力的影响,材料均取为尼龙 66。在计算电池单体内部 温度场时,电池单体的表面对流传热系数 h取为 8.95W/(m2? K)。图 11所示为在 1 C恒流 2 880 s时,取不同 LA时电池单 体内部线 1-2的温度分布。图 12为充电 2880s时,电池单体 内部的最大温度 qmax及线 1-2上的最大温差 Dq。 分析图 11和图 12发现,增大电池外壳厚度后,电池内部 温度并不是增大,而是降低了。电池外壳对于电池内部温度场 的影响是外壳材料导热系数和比热共同作用的结果,所以分 析外壳厚度如何影响电池内部温度场时,要具体问题具体分 析。在本试验中,与目前尼龙 66外壳 3mm的厚度相比,使用 1 mm的外壳电池使内部最高温度增大 0.7℃,使用 5 mm的 外壳使电池内部最高温度降低 0.5℃。改变尼龙 66外壳厚度 对电池散热能力的影响并不显著。 图7 不同h时线1-2的温度分布 Fig.7 Temperature distribution on line 1-2 atdifferenth s 图8 不同h时单体最高温度和最大温度差 Fig.8 Cellinternalmaximum temperature and maximum temperature difference atdifferenth s 图9 不同lA时线1-2的温度分布 Fig.9 Temperature distribution on line 1-2 atdifferentlAs 图10不同lA时单体最高温度和最大温差 Fig.10 Cellinternalmaximum temperature and maximum temperature difference atdifferentlAs 图11不同LA时线1-2的温度分布 Fig.11 Temperature distribution on line 1-2 atdifferentLAs 5结论 (1) 电池表面对流传热系数 h和外壳导热系数 lA显著 影响 MH-Ni电池的散热,提高 h和 lA,可有效改进电池的散 热能力。 (2)外壳厚度对电池内部温度的影响是外壳材料导热系 数和比热共同作用的结果,关于外壳厚度如何影响电池散热 能力,与外壳材料有关,要具体问题具体分析。 参考文献: [1] CHENYF, EVANSWJ. 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JSAE Review, 2000,21: 205-211. 119 中间,使得钛酸锂样品的导电性好且粒径很小,锂离子的扩散 路径短、速度快,导致其具有良好的倍率性能。若只需要提高 其导电性,那在做电池时加一些导电剂即可,但在合成中掺杂 石墨微粉是作为还原剂促进锂的扩散使其反应更完全,同时 还可以减小产物颗粒粒径,增加颗粒之间的结合力,抑制干扰 离子的生长。 3结论 此项新工艺直接用高能球磨法制备前驱体,然后再 用高温固相法合成钛酸锂。实验确定的适宜工艺条件是: 烧结温度 950℃、烧结时间 14 h、石墨微粉掺杂质量分数 为 5%,nLi∶nTi为0.84。在此条件下,产物结晶很好,首次 放电比容量为 173.2mAh/g,首次库伦效率为 96.8%,循环 100 次后,比容量仍保持在 160.6 mAh/g以上;当倍率为 10 C时 其比容量在 157 mAh/g左右,约为 1 C时发挥的比容量的 94%。因此该方法合成的钛酸锂具有很高的可逆容量和良好 的循环稳定性能,特别是具有良好的倍率性能,可能是由于掺 杂石墨微粉改善了其导电性,而且成本低廉,可以满足锂离子 动力电池大电流放电的要求。 参考文献: [1] WANGGX,BRADHURSTDH,DOUSX,etal.SpinelLi[Li1/3Ti5/3]- O4as an anode material for lithium ion batteries[J]. Power Sources, 1999,83(12):156-161. [2] OHZUKU T, UEDA A, YAMAMOTO N. Zero-strain insertion ma- terialofLi[Li1/3Ti5/3]O4forrechargeablelithiumcells[J].Electrochem Soc,1995,142(5):1431-1435. [3] ZAGHIB K, SIMONEAU M, ARMAND M, et al. Electrochemical studyofLi4Ti5O12as negative electrode for Li-ion polymer recharge- ablebatteries[J].JournalofPowerSources,1999(81/82):300-305. 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