方形LPF动力电池在内短路下的热效应分析

2017-01-10刘方方

电源技术 2016年12期

关键词：热辐射外壳动力电池

金标，刘伟，彭敏，刘方方

(1.广东科技学院，广东东莞523000；2.东风商用车有限公司东风商用车技术中心商品开发部，湖北武汉430056)

方形LPF动力电池在内短路下的热效应分析

金标1，刘伟2，彭敏2，刘方方1

(1.广东科技学院，广东东莞523000；2.东风商用车有限公司东风商用车技术中心商品开发部，湖北武汉430056)

为分析对流换热系数、热辐射、外壳厚度及导热系数对磷酸铁锂(LPF)动力电池散热能力的影响，以60 Ah方形LPF动力电池为研究对象，建立穿刺实验情况下的电池生热模型，确定模型中的有关参数，建立有限元仿真模型并利用Ansys软件定量地计算温度场。结果表明：提高电池表面对流换热系数和导热系数，可显著提高电池散热能力，热辐射和外壳厚度对电池散热有影响，其中，外壳厚度如何影响电池内部温度场需综合其他因素分析。

热效应；生热模型；有限元法

穿刺实验是模拟动力锂电池被外物穿刺而引起其内部短路。当钢钉刺入锂电池内部时，即刻造成电池在穿刺点短路，瞬间产生很大电流，短路区由于大量的焦耳热而形成局部热区，会引发一系列正负极和电解液的反应，当热区温度超过临界点时会引发热失控，进而导致锂电池起火、燃烧甚至爆炸。大功率动力锂电池因内短路而引起的热失控一直成为锂电池热安全最为关注的话题。

关于电池热失控的研究主要集中在电池生热模型的建立及温度场分析。在电池热效应研究方面具有典型代表意义的学者有Noboru Sato、D.Bernardi、美国可再生能源实验室的Gi-heon kimKandler等。Noboru Sato[1]等从热力学角度讨论了氢镍电池的热效应，通过分析热产生的因素来阐明放热机理，给出了相应的数学计算公式。D.Bernardi[2]基于均一化假设建立了一种典型的生热速率理论模型，认为电池生热主要由电池内部化学反应可逆墒变和欧姆内阻产热组成。Gi-Heon kim等建立了锂电池内短路情况下的等效电阻模型及电化学-热耦合模型，并通过试验和有限元分析(FEA)方法对氢镍动力电池进行温度场分析。王峰、林成涛、李腾[3－5]等较为全面地介绍了国内外各种电池热效应模型，并对锂电池散热影响因素进行了分析。张遥[6]等采用CFD-ACE+有限元分析软件建立电化学-热耦合模型，并分别用二维和三维模型对温度场进行计算对比分析。王松蕊[7]等通过建立锂电池热失控模型，模拟计算环境温度、电池参数、电池状态等因素对钴酸锂电池热行为的影响。

本文基于前人研究，借助有限元分析方法计算并分析LPF动力电池温度场。研究内容包括生热模型的建立、模型中的各参数的确定，热仿真结果分析，为动力电池的温升效应研究、散热措施及热安全设计提供定量依据。

1 电池结构

本文以某公司设计的60 Ah方形LPF动力电池为研究对象，该电池结构示意简图如图1所示。该电池结构主要由外壳、正负极柱、正负极极耳和电芯内核(多物质材料)组成。图1中，1-2-3-4为穿钉中心截面，m-n为中心截面上穿刺点中心线。该电池外形几何尺寸：133mm×29mm×212mm，内核几何尺寸：132mm×28mm×192mm，钢壳厚度：0.5mm，穿钉处钢钉体积：1 792mm3，内核平均密度2 570 kg/m3。

图1 LPF动力电池结构示意简图

2 电池热效应模型的建立及物性参数的确定

2.1 电池热效应数学模型的建立

电池实际生热情况较复杂，仿真时需做以下假设：(1)内部物质发热均匀，内部材料各向同性，且为定值；(2)忽略电池内部的对流和热辐射；(3)电池比热为常数；(4)电池内阻不随电池温度与荷电状态发生变化，视为常值。基于以上假设，在直角坐标系下方形锂电池三维非稳态传热的能量守恒方程为：

由牛顿冷却定律及灰体Stefan-Boltzmann公式(假设电池与周围空气的传热系统是灰度系统)给出边界条件：

2.2 电池生热速率模型选取

根据该方形LPF动力电池穿刺试验测试结果可知，短路时电池产热量主要来自焦耳热，因此本文仅考虑焦耳热对系统热失控的影响。Gi-heon kim等认为短路产生的焦耳热由短路区域的局部焦耳热和整个电芯的焦耳热两部分组成：

2.3 电池热物性参数的确定

不锈钢、铝、铜热物性参数可通过有关手册获得。60 Ah LPF动力电池内核材料的平均比热根据冷却法通过实验测得。内核材料三维正交导热系数可利用chen[8]提出的计算方法计算得到。LPF动力电池热物性参数见表1。

表1 LPF动力电池热物性参数

3 电池散热影响因素分析

3.1 电池表面对流换热系数的影响

图2 不同、有热辐射时m-n线上的温度分布

图3 不同、有热辐射时电池穿钉中心截面1-2-3-4上的最大温度及内外最大温差Δ变化

从图2可知，电池温度分布曲线呈对称分布，靠近电池外部温度低，靠近中心温度高。从图2、图3可知，随着对流换热系数的增加，电池散热效果显著，截面处电池最大温差及其最大温度均随着降低。同自然对流环境相比，一般强度强制风冷条件下电池最高温度降低0.56℃，大强度强制风冷条件下电池最高温度降低2.19℃，油冷条件下电池最高温度降低4.74℃，水冷条件电池最高温度降低26.36℃。从图4、图5可知，有热辐射情况下电池最高温度比无热辐射情况下温度要高，表明热辐射对电池散热有影响。因此，可对电池金属外壳进行加工处理，以提高其热辐射系数。

图4 不同、有无热辐射时截面1-2-3-4上的最大温度变化

图5 取5、有无热辐射时m-n线上的温度分布

3.2 单体外壳厚度的影响

图6 不同厚度的线m-n上的温度分布

图7 不同厚度的截面1-2-3-4的最高温度和最大温差Δ

从图6、图7可知，随着电池外壳厚度的增加，电池温度、最高温度及最大温差均在降低。与0.5mm的钢壳厚度相比，1.0mm的钢壳电池截面处最大温度降低10.71℃，1.5mm的钢壳电池截面处最大温度降低18.48℃，2.0mm的钢壳电池截面处最大温度降低24.44℃。增加电池外壳厚度将导致电池热阻的增大，降低电池散热性能，但能提供额外的热容以缓和温升，因此，电池外壳厚度如何影响电池散热能力需综合考虑其他因素分析，例如环境温度，外壳材料等。

3.3 外壳材料的影响

分别取不锈钢、黄铜、铝及塑料pp四种材料分析对电池温度的影响，其中黄铜、铝和pp的导热系数分别为108.9，240和0.21 W/(m·K)。建模时取统一厚度0.5mm，均考虑热辐射影响。图8为取不同材料时的线m-n的温度分布。图9为取不同导热系数时的截面1-2-3-4的最高温度和最大温差Δ。

从图8、图9可知，四种材料中，塑料PP的导热系数最小，热阻最大，电池温度最大，金属铝的导热系数最大，热阻最小，电池温度最小。与pp相比，采用不锈钢外壳使电池最大温度降低1 765.54℃，采用黄铜外壳使电池最大温度降低1 860.01℃，采用铝外壳使电池最大温度降低1 894.57℃。从式(1)可知，电池外壳材料的密度、比热和导热系数三个参数对电池温度有影响。相比材料的密度、比热两个参数而言，导热系数的差异是影响散热的主要因素，优化外壳材料能够明显改善电池的散热效果。

Thermal effect analysis for rectangle LPF power battery in case of internal short circuit

To analysis the influence of convective thermal transfer coefficient,thermal radiation,shell thickness and thermal conductivity on the thermal dissipation capability for a 60 Ah LPF power battery,the thermal-producing model was established under the nail test,and related parameters were determined.Meantime,a FEA model was established,and the temperature field was calculated quantitatively with the software Ansys.The results show that thermal dissipation capability is improved significantly by increasing convective thermal transfer coefficient of the battery surface and thermal conductivity.Among them,how the shell thickness affects temperature field inside of the battery needed to consider other factors.

thermal effect;thermal-producing model;finite element method