锂电池的产热过程及其数值模拟

来源:捷能科技   发布时间:2017-01-10 11:27      设置字体:
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摘要:本文首先从原理上对锂离子电池使用过程中的产热和温升进行分析,然后利用数值方法对某款锂离子电池不同倍率的产热过程和温升过程进行仿真分析。
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锂离子电池广泛用于消费电子设备、动力电池系统和储能系统,不仅如此,锂离子电池更是动力电池系统和储能系统的“心脏”部件,对电池系统和储能系统的来说,锂离子电池特质直接决定了系统的安全、寿命和可靠等关键参数。

  而锂离子电池使用过程中的产热和温升又是锂离子电池十分重要的一个特质,它对锂离子电池的安全、寿命、功率性、可靠性产生了十分重要的影响,因此,有必要从原理上对锂离子电池的产热特性和温升特性进行研究,进而为电池设计和电池系统热管理设计提供基础。

  本文首先从原理上对锂离子电池使用过程中的产热和温升进行分析,然后利用数值方法对某款锂离子电池不同倍率的产热过程和温升过程进行仿真分析。

  一、锂离子电池使用过程中的产热和温升原理

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  1、产热过程

  锂离子电池的产热过程可以由式(1)来表述,其中为总产热量,下面笔者将对式(1)右侧的表达式进行逐一拆解,对产热过程进行理论分析。

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  (a)不可逆热

  锂离子电池使用过程,需要消耗一定的能量用于驱动电化学反应,这部分能量最终会变成电池的产热,这部分热称为不可逆热。不可逆热由锂离子电池的电流和过电势决定,如式(2)所示。

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  (b)可逆热

  锂离子电池的电化学反应伴随着锂离子在活性颗粒中脱嵌,这种脱嵌伴随着活性颗粒晶粒结构的改变,这种晶粒结构的改变自然会出现放热和吸热现象,这部分热量称为可逆热,如式(3)所示。

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  (c)电子传输热

  自由电子在导电体中定向运动形成电流并传递电能,同时也会产热一定的热量,这部分热量称为电子传输热,其表达如式(4)所示。

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  (d)离子传输热

  锂离子在电解液中扩散、迁移和对流时会传递电能,同时也会产热一定的热量,这部分热量称为离子传输热,其表达如式(5)所示。

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  (e)接触热阻产热

  锂离子电池内部存在着很多的接触,电流流过这些接触时会产生一部分的热量,其表达如式(6)所示。相对于其它产热来说,接触热阻产热比较小,一般可以忽略不计。

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  2、温升过程

锂离子电池使用过程中产生的热量,为锂离子电池的温升提供了热源,式(7)描述了锂离子电池的温升过程。T为电池的温度,q为热源,blob.png为电池内部的导热过程。

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  二、产热和温升的数值模拟

  清楚了锂离子电池的产热过程和温升过程之后,需要对产热量和温升值进行计算。对产热量进行计算和分解,不仅可以从电池设计阶段进行热管理,还可以基于总的产热量进行系统级的热管理设计。

  图2和图3是利用数值模拟方法计算出来的电池产热和温度,图2是某款电池不同倍率的产热量和温度数据,图3为不同产热过程的产热量分解,从图中可以看出,当放电倍率较小时,不可逆热较大但并不占主导,当倍率较大时,不可逆热占主导。此外,电池放电后期的产热主要是由不可逆热贡献的。

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2 不同倍率的产热量和温度(数值模拟)

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3 不同产热过程的产热量分解(数值模拟)


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