HEV电池的产热行为及电池热管理技术

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1、万方数据第25卷第1期2008年3月广东工业大学学报JournalofGuangdongUniversityofTechnologyV01．25No．1March2008HEV电池的产热行为及电池热管理技术张国庆，马莉，张海燕(广东工业大学材料与能源学院，广东广州510006)摘要：分析了HEV电池在充电、放电和过充电等条件下热产生机理和该领域国外有关试验测量结果．在归纳了采用风冷、液冷方式优缺点的前提下，指出采用相变材料(PCM)的热管理系统是未来锂离子动力电池热管理的重要方向．最后对电池热管理系统的设计步骤进行了归纳．关键词：动

2、力电池；热行为；混合动力汽车；电池热管理系统中图分类号：0641文献标识码：A文章编号：1007-7162(2008)01-0001-04在未来二三十年内，混合动力汽车(Hybride．1ectricvehicles，HEVs)将部分替代传统内燃机汽车，实现大规模商业化【l引．能量储存系统是HEV最为关键的部件，它的动力性、寿命等决定了整个车辆的成本和性能．随着技术的进步，用于HEV的电池由体积较大、质量较大的串联型电池向尺寸与质量均更小的并联型发展．这给电池热管理系统提出了更高要求．对HEV电池的产热行为的研究是进行热管理系统设计

3、的基础，值得国内研究者充分关注．1动力电池产热的根源对电池模块进行热管理系统设计，需估算或测量电池模块的热来源、产热速率、电池热容等有关参数，这些参数与电池的本质密切相关．1．1电池电化学反应的本质电池放出热量取决于电池的化学、机械、电学本质和特征，特别是电化学反应的本质口训．以镍氢电池为例，其反应机理可概括为NiOOH+H20+e”Ni(OH)2+OH一，(1)MH+OH一”M+H20+e．(2)-+：放电过程，+-：充电过程在电池进行充电、放电过程中，可观察到放热和吸热过程．放热反应是在恒温恒压下进行的可逆过程，由式(3)确定．

4、△G=AH—TAS=AH—T[一6(AG)／6TI．(3)式(3)中，AG为Gibb’s自由能的变化量，相当于电池可以对外所做的最大电功；△日为电池反应过程中的焓变；T是热力学温度，△S是熵变．当电池分别进行充电、放电时，反应热效应的数值相同，符‘号相反．TAS相当于电池反应中产生的热能，它可以用电池反应热Q，来表示：Q，=TAS=T[一6(AG)／6T]，(4)AG=一nFE。，(5)Q，=nFT(8E。／ST)，(6)式中，，是法拉弟常数，E。是电池平衡电动势，电化学极化使电池实际电压偏离其平衡电动势．而由电池极化引起的能量损失

5、用Q。来表示．电池反应除了按照反应方程式进行之外，还存在一些副反应，典型的副反应包括电解液分解及电池自放电．此外，由于任何电池都会不可避免地存在电阻，故电流通过时就会产生焦耳热口i．因此，一个电池总的热量为如下几个方面的热量总和：．Q。=Q。+Q，+Q．+Qi=nFT(SE。／sT)一nF(E一层f)+Q。+Qi．(7)根据具体充电(放电)过程的不同，引起电池产热的主要因素也不同．例如，在电池正常充电时，式(7)中的Q，是主导因素；而在电池充电后期，由于电解液的分解，导致了副反应开始发生(副反应热为p。)，当电池接近充满电而进行过充

6、电时，主要发生的是电解液分解，这时Q．占主导地位．而焦耳热Qi则取决于电流和电阻，常用的充电方式是在恒定电流下进行的，此时Qi是一个特定值．然而，在启动和加速时，电流比较大，往往以5到10C的倍率进行放电．这对于HEV来说，相当于几十安培到上百安培的电流，这时候焦耳热Qi很大，成为了电池放热的主要来源．因此，在设计电池热管理系统时，应当充分关注起决定作用的产热因素．收稿日期i2007．03—09基金项目：广州市科技攻关项目(20057．2-D2051)作者简介：张国庆(1963．)，男，副教授，博士，主要研究方向为动力电池及其关键材

7、料．万方数据2广东工业大学学报第25卷1．2电池产热的理论分析1．2．1电池反应热以Ni-MH电池反应为例，反应热来源可表示为M+H-+MH+Q1．(8)对于典型的AB5合金，MH的生成热是一29．3kJ／m01．所以有，Q，=詈x29．3kJ·mol。／{96487A·s·mol一／二(3600s·hq)}-0．547，ckJ·h-I．．(9)由式(9)可见，电池反应热与充电电流呈线性关系，其中，L是充电电流．1．2．2电池反应存在极化的产热速率Q：电池总阻抗用尺。表示，由于极化而引起的阻抗用R。表示，电池纯电阻用R。表示，于是有

8、R。=R。一尺。．(10)电池的放电电流用，d表示，则电池极化的产热速率为Q：=髭R，．(11)Q：不能从式(10)中直接计算，因为所有极化产生的热均以焦耳热形式出现，必须进行阻抗分析，把极化阻抗从电池总阻抗中分离出来．1．2．3电池