智能手机锂离子电池热分析及设计安全漏洞

工程科学与技术，国际期刊22（2019）610完整文章锂离子电池智能手机爆炸的热分析Kyung Mo Kim，Yeong Shin Jeong，In CheolBang韩国蔚山44919，Ulju-gun，50 UNIST-gil， Ulsan 44919，Ulsan National Institute of Science and Technology阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2018年2018年12月13日修订2018年12月18日接受在线发售2018年关键词：智能手机热分析散热锂离子电池热管A B S T R A C T移动电子设备的热管理已经被执行，因为应用处理器的性能已经增加，并且小型化设备中的功耗与其功能成比例。已经有各种与移动电子相关的热分析研究，目的是改进分析方法和冷却策略，以保证设备安全。尽管做出了这些努力，但未能控制热能，特别是在智能手机中，导致了爆炸，因为在各种操作条件下设备中的热行为没有得到充分的控制。因此，分析了导致智能手机热管理失败的几种情况，以提供对热设计的更深入了解，推导出影响设备热管理的参数。由于电池管理系统故障或向应用处理器过度添加功能而导致的电池过电流被认为是导致最近热失控和爆炸的可靠原因。分析还表明，电池的发热对电池的热管理有重要影响，而以往文献中对电池发热的考虑并不多，通过AP和电池的布置可以抑制电池的热扩散在移动电子设备中用作冷却装置的热管也包括在热分析中。虽然热管有望改善移动电子设备的热管理，但由于其工作条件和小型化，其传热能力有限。我们分析的结果表明，智能手机在设计安全方面存在漏洞。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍有必要将工作温度保持在可接受的范围内，以便移动电子设备的组件正常工作[1，2]。热管理是智能手机未来发展的典型瓶颈，因为在设备尺寸小型化的同时，功能和所需的功耗水平正在增加。如果由于热管理失败而导致设备过热，则组件的性能将下降。这可能伴随着热失控和电池爆炸，这对用户安全构成威胁，并可能导致死亡。最近的例子是智能手机的爆炸式增长。智能手机的热行为已经通过数值模拟[1-*通讯作者。电子邮件地址：icbang@unist.ac.kr（I.C. 砰）。由Karabuk大学负责进行同行审查传输介质，例如热界面材料、散热器和金属支架。在散热策略方面，通过观察确认了风扇散热在智能手机中的适用性压降、温降和流速之间的关系，如在模拟芯片组布局的堵塞结构中所见[6然而，基于风扇的主动冷却具有副作用，诸如额外的功耗、噪声以及防水和防尘方面的困难。相变材料（PCM）已经被研究用于它们作为应用处理器（AP）中的散热器，这是由于在设备的当前结构中散热器的存在不足[10尽管与安装在当前设备中的热传输介质相比，它们可以在短期冷却中实现更好的热传输，但是当PCM完全改变为液相。处理电子产品中的热生成的候选者是热管。热管是一种被动式热传输装置，它将液态工质储存在金属容器内，并在容器内放置毛细结构，使工质在较热段蒸发并吸收热量。产生的蒸汽变成https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.12.0082215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch×××K.M. Kim等人 /工程科学与技术，国际期刊22（2019）610-617611在较冷的部分为液态然后使用由芯结构引起的毛细泵送压力将液体输送到较热部分设计并测试了各种类型的热管在小型化电子设备中的适用性[14热管将AP中产生的热量传播到较冷的部分，以降低AP温度。许多智能手机使用热管作为其热管理系统。热管的热扩散能力预期优于现有导体。然而，如果不能保证恒定的散热器温度，则在长期运行中较热部分和较冷部分之间的温差由于热管的性能取决于热端和冷端之间的温差，热管的传热率最终会降低最近使用热管的热管理策略不能成为高性能智能手机的最终解决方案此外，一些风险因素威胁着智能手机的完整性。例如，控制电路中电流和电压的软件可能会出现故障，并且没有针对此类故障的规定。因此，必须确定导致智能手机爆炸的原因或风险因素，以防止未来发生事故。在这里，我们假设了可能导致Galaxy Note 7电池热失控和爆炸的事故场景，如下所示。首先，AP单独经受过电流。接下来，芯片组的高功耗操作持续很长时间，导致电池和AP中的过电流现有的移动电子产品热分析相关文献没有考虑电池的发热。尽管如此，锂离子电池（LIB）在运行过程中会产生热量[21]。在密闭空间中，电池的自发热是一个关键因素，因为当电池温度升高到一定程度时，会引起热失控。在热失控中，储存在电池中的能量转化为热能而不是电能，最终导致成分燃烧[22，23]。因此，电池中的发热被视为事故场景。2. 热分析2.1. 分析智能手机型号为了观察在智能手机的各种操作状态期间的热行为，如图1所示考虑以下主要部件及其布置。1.一、设备主体的尺寸为153.5 73.97.9mm，这是智能手机设备的典型尺寸。两个石墨片（150.0 70.0mm）放置在前玻璃和背板附近，利用其高导热性和小体积Fig. 1.通过MARS和CFD模拟分析智能手机模型的拆卸结构。重量.它们在短时间内传播AP或其他发热部件产生的热能。在正面石墨片的下方，安装与石墨片尺寸相同的金属支架，以保护印刷电路板（PCB）中的电子元件。AP位于电池附近，间隙为2.0 mm，以确保触摸笔嵌入的体积。在电池位置的情况下，它被发现邻近PCB的较薄的设计。此外，铜热管，它提供热量从AP没有外部电源，也被认为是在这项研究中。采用水作为工作流体的热管被设计为具有0.4mm的厚度，以最小化装置的总厚度并保持紧凑的设计。热管的中心位置，具有4.0 mm的宽度，100.0 mm长，假设位于AP下方（热管的两端与作为散热器的石墨片接触）。水具有非常高的品质因数，这是热管的传热性能的指标，这是由于与其他传热流体（例如制冷剂、传热油和液体金属）相比，在宽范围的操作温度下具有高潜热和表面张力。因此，在本研究中，选择水作为热管的工作流体，在分析智能手机模型。虽然导热垫或导热脂是移动电子设备中广泛使用的导热材料，但在分析中没有建模，也忽略了组件之间的接触电阻的影响。命名法hIknQ俄.西STtU传热系数[W/m2 K]电流[A]导热系数[W/m K]来自表面的单位法向量[m]热量[W]半径[m]内部热源[W/m3]表面积[m2]温度[°C]时间[s]电压[V]体积[m3]X空间坐标希腊符号q体积热容[J/m3 K]下标开路电压反应SK水槽充电状态rea;@T¼612公里Kim等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）610表1总结了热分析中考虑的组件[1]的热性能和厚度。计算了复合材料的热导率和体积热容Q_¼Q_焦耳 联系我们1/4I/USOCI-UOCVI-I T。@UOCV;SOC≤1假定ponents是恒定的。图1中的前玻璃包括表1中的玻璃质材料和显示器，并且AP被假定具有与PCB相同的热特性。此外，屏蔽位于PCB的前面和后面2.2. 分析条件选择设备中的组件的发热率作为输入参数，以通过观察当前智能手机型号的热管理能力来推断导致智能手机在热管理方面爆炸的场景。假设所分析的智能手机中的LIB分别具有3500 mAh和3.85 V的放电容量和电压，如表2所示。AP（Snapdragon 820或Exynos8890）的热设计功率为4 W，运行四核所需的最大功耗为8 W。C速率是电池相对于其最大容量充电或放电的速率的量度。因此，工作电流为2.08 A，对应于0.6 C的放电速率，AP的最大发热量为4 W。因此，选择过电流（1 C）、最大操作和AP功能的正常操作（0.4 C和0.6 C）作为分析样本所有分析的情况下，放电恒定电流和恒定电压的条件下假设此外，还考虑了电池的发热。来自LIB的热生成可以被分为焦耳热和反应热，如等式（1）中所示（一）. 焦耳热由过电位和电流产生，其中由于内部电阻引起的电压下降开路电压VOCV电池中产生的热量与SOC与放电率成正比[25此外，电池在充电和放电期间的发热取决于电池的老化、阴极和阳极的材料、正常容量和其他各种参数。电池发热量的多参数耦合给预测带来困难。LIB产生的热量通常为放电容量的5%至60%[25因此，假设在分析的智能手机模型中具有石墨阳极的LIB[26]的放电速率（30.3%的功率耗散）用于热生成的保守估计。AP和电池产生的热量被建模为相应固体域的恒定体积热源。因此，如表3所示，使用商用计算流体动力学（CFD）代码ANSYS CFX和反应堆安全多维分析（MARS）代码（由韩国原子能研究所开发，用于分析核反应堆中的热工水力现象），对总共四种情况进行了模拟。2.3. 分析方法MARS代码是一种一维瞬态代码，用于计算两相流的质量、动量和能量守恒[28]。热传导模块也包括在代码中，以解决二维固体的传热控制方程（Eq. （2）边界条件（Eq. （3））用于导热模块的方法如下：ZZZqT;x@T。-x;tdV¼ZZk.T;-x-T。-x;t·d-sZZZS。-x;tdV因为内阻是诸如SOC、温度和老化的各种因素的函数，所以内阻随充电状态（SOC）和温度而变化。工作电流I和有效熵势决定了反应热[22操作电流由放电率控制，放电率与功耗成比例。有效熵势，V我不知道@xTsk tRSk@Tt0@nVð2Þð3ÞT@VOCV;SOC=@T，也随影响开路电压的参数而变化。表1分析智能手机中组件的热特性和厚度组件厚度热导率热容量[公厘][W/mK][×106J/m3 K]玻璃状材料1.01.01.830背板金属0.2510.01.350石墨片0.02510.01.520PCB0.81.01.332盾牌0.1515.03.640金属支架0.27515.03.640显示集总2.00.11.200热管（铜）0.43853.4944电池4.01.02.1930表2模型LIB的详细规范。参数规范正极材料石墨正极材料LiFePO4额定电流3500 mAh额定电流3. 85 V额定容量13. 475 Wh前面提到的目标器件进行了模拟，利用热传导和导热模块。对流模块被激活，以分析在大气和外壳材料之间的界面处和热管（也称为散热器）内部的热传递。图1显示了用于MARS和CFD分析的智能手机模型的主要组成部分。两个石墨片靠近前玻璃和背板放置在智能手机模型上，因为它们的导热性高，重量小，设计薄。它们在短时间内传播AP或其他发热部件产生的热能。智能手机型号中的热管根据其工作原理从AP传递热量，而无需外部电源。将厚度为0.4 mm的超薄网状金属芯吸热管应用于所分析的智能手机模型，以最小化其体积，因为这对于减小设备的总厚度和保持紧凑的设计很重要。对x和z方向上的热传递进行了建模在为MARS进行的模拟中。采用ANSYS CFX软件进行三维传热计算。分析中使用的组件的尺寸和热性能参考Gurrum等人（2012）[1]。热管被建模为具有有效热阻的固体域，其是从传统铜热管的热阻转换的值[29]。各连接部件之间的热交换作为守恒热流界面条件的边界条件.控制方程（Eq. （4））对于所有域的能量守恒如下[30]。K.M. Kim等人 /工程科学与技术，国际期刊22（2019）610-617613表3智能手机热分析的规定条件案件编号排放速率（C）AP产热（W）电池发热量（W）言论#10.64.00.0AP最大功耗运行状态（忽略电池发热#20.41.41.64AP正常功耗的工作状态（考虑电池发热#30.64.02.45AP最大功耗运行状态（考虑电池发热#41.09.54.08过电流运行状态（考虑电池发热）与同等计算资源的三维仿真相比瞬态计算可以提供热行为序列的信息此外，分析结果的验证可以通过计算结果的比较来进行，从两个代码中获得。3. 结果和讨论3.1. 不同功耗下的温度特性@ jiuqu图二. 网格依赖性测试（ANSYS-CFX）。模拟结果集中在组件的温度上，因为这些是指示器件热管理性能的代表性输出参数。表4总结了特定条件下AP、电池和表面（前玻璃）的平均温度。两个代码显示出良好的一致性。温度预测的偏差在MARS和ANSYS-CFX中，由于每个组件的三维热传导。值得注意的是，MARS计算的温度，这是在一维网格化计算，可以给出瞬态的温度上升趋势，从而节省计算资源。从情况#1和#3的比较中，显然电池的内部发热具有显著的效果@t- r·krTSE4在CFD模拟中，对流边界条件设定为10 W/m2 K的传热系数，并通过与采用空气对流边界条件的MARS分析结果进行对比，通过敏感性研究组件之间的接口连接为通用网格接口，用于交换热能[30]网格模型中的总元素不同大小的网格组AP的最高温度比较见图2。事实上，发现需要几层薄石墨或显示面板，而不是元件的平均尺寸，使得在本研究中，为模拟中的所有组件构造最少3层元件在两个代码模拟中，组件和环境的初始温度均假定为室温。除了前板和后板，墙壁被设置为绝热条件，以暗示水和水的设计。保持模拟直到稳定状态或直到热失控温度（65 °C[22三维模拟可以详细地分析局部热行为，而一维模拟可以详细地分析局部热行为。在组件的温度演变上，即情况#3显示出与情况#1相比高出12 °C的温度。因此，在分析放电速率效应时，考虑了电池的自热效应。图3绘出了不同情况下的温度变化。图3显示，由于相对较高的热通量，AP中的温度在热耗散的初始阶段急剧增加。在达到某些温度点之后，温度升高由热传导（部件的导热率）主导。当热管温度达到工作温度（60-70 °C）时，温度的增加速率降低，如图3b和c所示。然而，热管的效果是微不足道的，以完美地散热。因此，恢复了升温速率。在过电流情况下（情况#4），尽管AP和PCB的厚度非常薄，但它们的温度升高速率与电池和表面的温度升高速率不同。AP和电池产生的热量通过石墨片传导到其他部件，它们的体温会升高通过ANSYS CFX代码分析了每种情况下稳定状态下的温度分布，如图4所示。如图 4a-c，AP的最高温度接近表4MARS和ANSYS CFX的模拟结果符合规定条件。案件编号分析代码Avg. 表面温度（°C）Avg. AP温度（°C）Avg. 电池温度（°C）#1火星43.8157.9546.11ANSYS CFX41.6656.1642.46#2火星35.142.7336.53ANSYS CFX37.7643.0638.46#3火星54.4969.5457.29ANSYS CFX52.6667.3653.96#4火星74.47127.579.17ANSYS CFX82.96117.2685.46614公里Kim等人 /工程科学与技术，国际期刊22（2019）610-617见图4。根据指定条件（a）情况#2、（b）情况#3、（c）情况#4分析目标器械的温度分布。图三.根据规定条件（a）情况#2，（b）情况#3，（c）情况#4的MARS代码的温度演变结果。在所有模拟条件下的笔盒。此外，由于石墨片的导热作用，在所有模拟条件从AP到电池。发现即使在少量热量下电池温度也会升高。对AP最大功耗运行的模拟显示，所有组件的温度均低于其热限值（AP为80 °C [1-4]，电池为60 °C [22-25]）。然而，安全裕度微不足道。过电流条件（图3c）显示，电池的最高温度为98.56 °C，远高于锂离子电池的温度极限65 °C。这意味着当AP消耗的电量高于设计值时，电池可能会因高温而爆炸，这可能会因观看YouTube，玩手机游戏或运行其他高负载应用程序而频繁发生。此外，如果智能手机设备添加了虹膜扫描仪等功能，这需要AP中的瞬时高功耗，则过电流的发生可能性可能会增加。因此，电池爆炸的一个可能原因是由于虹膜扫描仪引起的高功耗导致电路中的过流。它K.M. Kim等人 /工程科学与技术，国际期刊22（2019）610-617615这是一个合乎逻辑的猜测，因为在其他智能手机型号中没有报告电池爆炸，这些智能手机型号不具有要求高功耗的功能，例如虹膜扫描仪，尽管它们具有同样高容量的电池。3.2. 热管的局限性热管由于其高效和被动的散热特性而被引入到最近的智能手机型号中。这有望解决智能手机的散热问题。然而，热管不能在分析的智能手机模型中有效地将由AP产生的热量传播到广泛的区域。由于热管非常薄（0.4 mm），AP附近的热传导比石墨片上的横向方向上的热传导更快，如图4所示，石墨片上的横向方向上的热传导具有相对较低的温度。这意味着热能可以直接影响电池温度演变。尽管热管被设计成将热量快速传播到低温区域，但似乎热管的功能部分地由于其薄结构及其相对于所分析的智能手机的AP和电池的放置而失效。在假定的工作条件下对热管传热率的MARS分析结果如图所示。 五、当工作流体的温度达到对应于操作压力的饱和温度（50 °C）时，热管开始操作，因为嵌入在所分析的智能手机中的热管的操作压力被假设为0.2 bar）。操作的开始与工作流体的汽化的开始相一致，如图1和图2所示。5和6.随着AP温度的升高，热管的传热速率也随之增大，这是由于热源与吸热器之间温差的增大，促进了工质的对流和蒸发。在#2和#3的情况下，热管传递从AP产生的热量的约15%。然而，如图6所示，当器件以过电流工作时（情况#4），热管内的蒸汽温度持续升高。蒸汽温度的持续上升是由于热管的传热能力有限，由于干燥。热管的传热能力低是基于热管的操作温度的预期行为。智能手机中实现的热管必须在低温下运行，以将AP温度保持在图五.根据智能手机的操作条件，通过热管的传热速率的变化。见图6。根据智能手机的操作条件，热管内的蒸汽温度变化。规定的温度限制。热管应包含真空，以实现其液体的低沸点温度。体积在低于大气压的压力下，由液体沸腾产生的蒸汽的蒸发量非常大。因此，它使热管的内壁变干。热管的最大传热量为0.9W，表现出传热的斜率变化如图4所示。在热管达到其工作极限后，通过金属容器以传导的方式实现通过热管的热传递。分析结果表明，由于热管本身的结构和工作温度较低，使得热管的传热能力有限。3.3. 散热器和倾斜热沉温度是决定热管传热效率的重要参数。从热传递的角度来看，大多数智能手机使用来自显示器和背板的空气对流形式的最终散热器。这种设备设计为热管提供了有限的最终散热器，散热器温度影响智能手机的冷却性能。此外，在前一节中分析的热管在垂直方向上操作。因此，当智能手机在水平或反重力方向上操作时，由于工作流体对流中的驱动力（重力）的减小，通过热管的热传递速率将减小。分析了热沉温度和器件倾斜度对热管热管理策略的影响。散热器（大气）温度以5 °C的间隙在25 °C至35 °C之间变化，并且对于每个散热器温度，智能手机的倾斜角度变化为0 °、45 °和90 °。假设智能手机模型以最大功耗运行。 采用MARS程序对所有算例进行了分析，并与ANSYS CFX的分析结果进行了对比验证。根据操作条件比较了稳态下的温度分布，如图7所示。随着热沉温度的升高，AP和电池的温度升高.与垂直方向相比，智能手机倾斜角度的减小进一步增加了部件温度，因为热管的传热速率降低，因为重力辅助的液体对流减少。减少工作流体对流616公里Kim等人/工程科学与技术，国际期刊22（2019）610见图7。根据散热器温度和倾斜角度确定稳定状态下的组件温度。热管内部和保守的散热器温度足以影响部件温度。此外，主导热管冷却能力的倾斜角度的影响高于散热器温度，表明嵌入式热管显著管理智能手机内部的热量。尽管组件的温度低于温度限值（AP为80 °C，电池为65 °C），但热裕度不足以保证完整性，因为存在影响冷却能力的不可预测因素。因此，在智能手机的热设计中，必须考虑关于设备的热管性能和冷却能力总之，所分析的智能手机在最大操作时的安全裕度似乎较低，这是由于其紧凑性，包括为触摸笔保留的空间、防水和防静电设计、LIB的内部发热以及由AP功能的添加引起的过电流的可能性，如图8所示。在AP中实现要求高功耗的功能可能导致电路中的过流。过电流很容易加热电池，因为内部发热是影响电池中热能耗散的关键因素。智能手机的电池能量密度上升因此，在移动电子产品的设计阶段，必须充分考虑防止或减轻过电流的多重屏障在热管理策略方面，虽然智能手机上安装了此外，有限的热管的传热能力，由于操作条件和过量的结晶，也证实了从模拟结果。因此，建议在了解热管内部的流体动力学特性的情况下进行设计优化，以有效地利用为了满足移动电子产品（尤其是智能手机）热管理的建议，必须根据确定性和概率安全评估进行安全分析，考虑各种参数，如电池内部发热、散热器的缺失以及热管理设备和策略的效率。4. 结论在移动电子产品中竞争性地增加功能，要求在其紧凑的布置中具有更高的能量密度。最近，发生了智能手机爆炸事件，尽管已经研究并配备了各种冷却策略以保持其安全性和适当的操作。虽然有许多可能的情况导致智能手机爆炸，但设备中的热管理故障尚未作为主要问题得到充分强调。因此，本研究利用MARS和ANSYS CFX程序对智能手机模型的热管理进行了深入分析，通过观察现有冷却策略的有限能力和部件布置对热管理的影响，推导出可能导致智能手机爆炸的场景。LIB的内部发热被假定为过电流情况，这可能是由于AP中添加特殊功能引起的。因此，得到以下评论，这些发现必须考虑在未来的分析和设计的电子设备的热管理方面。(1) 锂离子电池内部发热的考虑对智能手机的热分析有着重要的影响。两个代码显示出良好的协议，他们的结果彼此为所有情况下。图8.第八条。使用MARS和ANSYS CFX分析智能手机爆炸过程的总结K.M. Kim等人 /工程科学与技术，国际期刊22（2019）610-617617(2) AP和电池的布置是散热方面的重要设计准则，因为根据它们的布置可能发生热聚焦，从而增加局部温度。(3) AP正常和最大操作情况下的组件温度均低于其热限值，但安全裕度并不显著。(4) 通过使用AP中的许多功能产生的过流情况可能导致器械的热偏移超过组件的热限值。(5) 由于尺寸和操作条件的限制，热管并不是消除AP(6) 智能手机的散热条件和倾斜度对利用热管作为热管理策略的智能手机的冷却能力有显著影响。(7) 必须制定最终的冷却策略，以使用安全和利益冲突没有人宣布。确认本研究得到了韩国政府（MSIT）资助的韩国国家研究基金会（NRF）的基础科学研究计划和核能计划（2017R1A2B2008031），韩国政府贸易工业和能源部（MOTIE）资助的韩国能源技术评估和规划研究所（KETEP）的人力资源开发资助（编号20174030201430），以及韩国水电核电公司通过“Haeorum联盟核创新中心”项目的支持引用[1] S.P. Gurrum，D.R.爱德华兹，T.M.Golder，J. Akiyama，S. J.F.横谷Drouard，F.Dahan，电话和平板电脑系统的通用热分析，在：电子元件和技术会议论文集，IEEE，圣地亚哥，CA，2013年，pp. 1488-1492年。[2] Q. Xie，M. J. Dousti，M. Pedram，恒温器：用于智能手机的热模拟器，产生精确的芯片和皮肤温度图，在：2014年国际低功率电子和设计研讨会论文集，加利福尼亚州拉霍亚，2014年，pp. 117比122[3] Z. Luo，H.周，X。Luo，K.赵，手机系统热分析，应用。 温度Eng.28（14-15）（2008）1889-1895。[4] M.佩德拉姆，S。Nazarian，热建模，分析和管理在超大规模集成电路：原则和方法，Proc. IEEE 94（2006）1487-1501。[5] M.N. Sabry，电子系统的紧凑热模型，IEEE Trans. 康朋打包26（2003）179-185。[6] M. Grimes，E. Walsh，P. Walsh，移动电话手机的主动冷却，应用。 温度Eng.30（2010）2363-2369。[7] 诉Egan，J. Stafford，P. 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