动力用锂离子电池热仿真分析.doc

动力用锂离子电池热仿真分析动力用锂离子电池热仿真分析张遥,白杨,刘兴江f中国电子科技集团公司第十八研究所,天津300381)摘要:应用CFDACE+软件,通过建立模型求解的仿真手段,对15Ah动力用锂离子电池在O.5C充放电条件下进行热仿真分析,结果表明,电极和电解液固然是决定电池热效应的根本要素,但引流极耳,极柱和壳体的优化设计将显着改善电池的热分布,并可以使最高温度不发生在电极部分,这在动力电池高功率输出的情况下尤为重要.关键词:锂离子电池:热特性;仿真中图分类号:TM912文献标识码:A文章编号:1002087X(2008)07046103SimulationanalysisonthermalbehaviorforpowerlithiumionbatteryZHANGYao,BAIYang,LIUXing-jiang(TianjinInstituteofPowerSources,Tianjin300381,China)Abstract:ManyofthesafetyconcernsarerelatedtoimproperLiioncelldesign,especiallythermaldesign.TopredictthethermalbehaviorofLIBs,thethermalbehaviorof15AhpowerLIBat0.5Cchargedischargerateswassimulated.TheresultsindicatethattheelectrodeandelectrolytearemaincausesOfheatgenerationOfLIB.However,thedesignontabandconnectorstronglyaffectthetemperaturedispersioninLIB,andthemaximumtemperatureofconnectorcanbeavoidedbyimprovingdesign.ThethermaldesignisveryimpoantforpowerLIBworkedathighcurrentrate.KeyWOrds:lhiumionbattery;thermaIcharacteristic;simulation作为新兴化学电源体系,锂离子电池以其高电压,高比能量,循环寿命长等诸多技术优点越来越广泛地应用在便携通信,车载动力及空间T程等领域_1.2_.而锂离子电池在误用或滥用的情况下,可能会出现热鼓胀,严重的会导致燃爆,其安全性日益受到广泛关注_3_.锂离子电池领域研究人员正不断从材料体系到充放电管理等诸多方面对电池安全性的控制技术开展研究.锂离子电池的安全性问题的基本表征为电池发热,传统的热成像技术仅能采集到电池表面状态,无法深入电池内部热信息;植埋热电偶温度采集的方法受结构限制又无法得到完整的热分布信息.为此,我们应用CFD.ACE+仿真工=具,通过建立模型求解,探求更完整的锂离子电池的热特性,并把研究对象由小容量便携通信电源扩展到中等容量动力电池,进行热模拟仿真分析,探求电池单体内部的温度梯度分布状况,以期对动力电池设计及安全性提高起到一定的指导作用.1实验1.1实验电池选择采用传统的LiCoO正极和石墨负极材料,PVDF/NMP有机溶剂和黏结剂,cellgard2300隔膜,在铝制卷芯上通过卷绕收稿日期:20080304作者简介:张遥(1978一),男,吉林省人,工程师,主要研究方向为锂离子电池.Biography:ZHANGYao(1978一)461成型工艺制备圆柱形电芯,壳体采用不锈钢材料,两侧分别引l叶I正负端子,电池额定容量15Ah,外形尺寸为40mmx160mm,质量425g.1.2软件选用使用CFDACE+分析软件对多物理场模拟分析,选择了化学,流体,电学,传热这4个模块进行耦合.化学模块能够提供电激活(butlervolmer)类型多孔介质的异质化学(heterogeneouschemistry)分析;流体模块采用了基于压力的有限体积方法(FVM)NS方程求解器,能进行多孔介质及膜的二维轴对称几何的模型分析;电学模块可以在施加焦耳热负载的同时考虑结构产生的电容效应影响;传热模块能提供传导,自然对流,壁面源的工况时的分析方法.这些模块已经过广泛的验证和使用,都有着大量的程应用实例,完全可以满足锂电池内部热量的分布和变化趋势的仿真分析需求.1.3仿真参数确定(1)材料物理特性电解液:密度为1.235g/mL,电导率为10.3mS/cm,比热为133.9J/(mol?K),导热系数为0,45W/(m?K).隔膜:材料为PEPPPE三层复合,密度为0.492g/cm,比热容为1978.16J/(kg?K),导热系数为0.334W/(m?K1.正极片:平均密度为3.40g/cm,孔隙率为28%,组成材料为LiCoO2和铝箔.LiCoO比热容为1269.21J/(kg?K),热传导系数为1.58W/(m?K);铝箔比热容为903J/(kg?K),热传导系数为238W/(m?K1.2008.7VOI32NO.7负极片:平均密度为1.447g/cm3,孔隙率为30%,组成材料为石墨和铜箔.石墨比热容为1437.4J/(kg?K),热传导系数为1.04W/(m?K);铜箔比热容为385J/(kg?K),热传导系数为398W/(m?K.其它材料类型:壳体材料为不锈钢1Crl8Ni9Ti,芯柱材料为铝锰合金,正极耳材料为纯铝,负极耳材料为金属镍.(2)材料及电池结构参数由AutoCAD图纸给出.(3)电化学反应:正极:LiCoO2+xLi+xe-LiCoO2负极:Li6手6C十xLi+xe一总反应:Li1一oO2+Li,C6LiCoO2+6C(4工况选择环境温度298K(25);放电电流:0.5C(15Ax2h).1.4电化学模型建立本实验采用的15Ah锂离子电池,正负极片,隔膜均位于卷芯中央,正负极的极耳贯通各自极片宽度方向,分别从两边引出.图1是电芯的结构及装配特征图,图2是电芯断面示意图.模型参照电池内部的实际结构,分析类型定为电化学效应生热,电效应生热耦合的求解模式.成2图1电芯的结构及装配特征图Fig.1Innerstructureandschematicrepresentationofelectrodeassemblage图2电芯断面示惹图Fig.2Crosssectionschematicdiagramofelectrode2结果与讨论2.1仿真求解使用CFD.ACE+求解器建立电化学一传热耦合求解模型.使用CFD.VIEW对模拟结果进行可视化处理,分析对比结果,图3为三维模拟外壳温度分布图;图4为三维模拟内剖面温度分布图,图5为二维模拟纵剖面温度分布图.对比三维和二维轴对称模型的分析结果,在温度大小和分布规律上都相当接近,可以认为二维简化模型对三维实体有相当高精度的模拟程度.2.2软件仿真结果通过施加不同的边界条件,可以得到不同因素下电池的2008.7Vo1.32NO.7462r,K332.95图3三维模拟外壳温度分布图Fig.33Dsimulatedthermalimageoftemperaturedistributionatoutershellr,K332.9图4三维模拟内剖面温度分布图Fig.43Dsimulatedthermalimageoftemperaturedistributionatinnersection鲁_目_|_阻n000罱罱高簧罱图5二维模拟纵剖面温度分布图Fig.52Dbatterysimulatedtemperatureofverticalsection热分布.从图6到图11分别是包含不同热影响要素的二维模拟纵剖面温度分布图;图12是实际工况的起始瞬态三维剖视图;图13为电池纵截面(y方向)温度分布曲线图;图14为电池横截面(x方向温度分布曲线图.2.3讨论对比图6和图7,可以认为电池外壳对热的分布有着很重要的影响,主要是热传导作用导致的.因此,电池壳体是进行热设计的重要影响因素.图6仅含电芯的热分布Fig.62DbatterysimulatedtemperatureofelectrodeI粤翻囝?I誊暑誉景罄景图7考虑壳体传导的热分布Fig.72Dsimulatedthermalimageoftemperaturedistributionconsideringcasetransport图8考虑壳体传导+电解液的热分布Fig.82Dsimulatedthermalimageoftemperaturedistributionconsideringcasetransportandelectrolyte图9考虑壳体传导+电解液+单侧极耳的热分布Fig.92Dsimulatedthermalimageoftemperaturedistributionconsideringcasetransport,electrolyteandtabsatsingleside圆晖潮一搿n兽三嚣罱nnnnnnn图10考虑壳体传导+电解液+单侧极耳+空气对流散热的热分布Fig.102Dsimulatedthermalimageoftemperaturedistributionconsideringcasetransport,electrolyte,tabsatsinglesideandairdiffusion鲁羞暑詈暑委曩鬟nnnnnnnnn图11以上所有因素(两侧极耳)+两侧极柱的热分布Fig.112Dsimulatedthermalimageoftemperaturedistributionconsideringfactorsmentionedaboveandelectrodepolesatbothides鬲鬲鬲鬲鬲鬲鬲鬲鬲鬲图12实际工况的起始瞬态三维剖视图Fig.12Actualthermalimageofbatteryatstartinginstant由图7到图8的过渡可以得出:电液从整体上减小了电芯的热阻,即平均导热系数增大,对减小整体的热梯度有一定作用,但不足以改变电池的热分布.由图8到图9的过渡可以得出:电池一侧引入极耳后,热分布有了较大的改变.电芯中最热区域向极耳端的偏移意味着的电池内部热分布中极耳起到的热传导是重要的因素;同时,极耳的电流密度大所引起的基本欧姆热也是其温度偏高的一个方面,这些对极耳的合理设计和分布有着指导意义.由图9到图l0的过渡可以得出:电池引入的外部空气对流的散热后,极耳端的温度有了很大的降低,仍然高于另一端,尽管中部最热区域略偏向该端,但整体分布还是有明显的对称性.这个特点对电池的热控选择方案有着指导意义.由图10到图1】的过渡可以得出:两侧均引入极耳+极463椽扳柱后,热分布完全对称,但温度的最高区域出现在了电池的两端,说明极柱对热流的拉动作用很大,进一步印证了传导方式在锂离子电池热分布中发挥着重要影响.由图l2可以看出:电池中心部分温度偏低,经分析可能是由于卷芯本身并不发热,只是被动接受热量,而且其外侧还包裹有一定厚度的不良导热层(隔膜+电解液),所以,在这种热扩散的过程中,卷芯的温度始终低于持续发热的四周极组部件,但最终也能达到较高的绝对温度,该结果有待进一步验证.由图l3可以得出:在电池径向(方向.温度从中心往壳体逐步升高,在接近电池壳体表面时,电池温度又开始降低,这个分析结果与实验测试结果变化规律基本一致,但是温度最高点的位置需要进一步推敲.318317316315314313312311310309I一;-/;/一:/j!,j/fo.oooo.0050.0100.0150.0200.0250.030y图13电池纵截面(Y方向)温度分布曲线Fig.13TemperfII+一-.Ilffi/Ij-0.O20.O00.O20.040.O60.O80.100.120.14O.16图14电池横截面(X方向)温度分布曲线Fig.14TemperaturedistributioncurveofbatteryhorizontalsectioninXdirection3结论从上面变化组合温度分布图象分析讨论,我们可以获悉电池结构中的各个构成部分对电池发热的影响程度,电极的电导率和电解液固然是决定电池热效应的根本要素,但引流极耳,极柱和壳体的优化设计将显着改善电池的热分布,并可以使最高温度不发生在电极部分,分担并降低因电极过热对电池电性能的不利影响,在动力电池高功率输出的情况下这种贡献尤为明显;同时,由于极柱的温度最便于监测,就有助(下转第487页)2008.7Vol.32No.7进行测评.美国根据NAVSE指令和技术手册,对用于水下装备的锂离子电池,都进行安全性评估.美国海军水面作战中心,曾针对水下无人航行装置设计的锂离子电池组,进行了安全性测评,结果并不理想,8并电池构成的锂离子电池模块在挤压,过充测试中均冒烟,起火;高温测试中,满电荷电池模块起火放电态电池模块冒烟但未起火l3l.由此可以看出,锂离子电池在水下装备的应用中仍存在安全性问题.2.1锂离子电池的安全性能影响因素锂离子安全性能的研究一直是人们关注的焦点,科研人员设计了一些试验方案4-5,希望能从理论上分析锂离子电池的安全性能及其影响因素;电池的安全性能与温度密切相关,当电池温度升高时,电池内部发生一系列放热反应.如果锂离子电池体系中,热的生成速率大于散热速率,体系温度会不断上升,同时分解反应会导致电池内压升高,可能造成电池着火,爆炸.研究发现,可能的反应主要有以下几个方面:负极与电解质的反应;电解质的热分解;电解质在正极的氧化反应;正极的热分解;负极的热分解.广大j此提高热稳定性是提高锂离子电池安全性的基础.日前,解决锂离子电池的安全性问题,主要从两大方面来考虑,一是着眼于锂离子电池本身,积极提高电池材料本身性能,改进电池结构设计等;二是着眼于锂离子电池管理技术,对锂离子电池充放电进行实时监控和及时处理,保证锂离子电池的使用安全.2_2锂离子内部控制安全性研究锂离子电池内部控制安全性的主要方法有:改善正负极材料的热稳定性;提高电解质的热稳定性;改进散热设计;选用PTC电阻层在过充时增加电池内阻;设计合理的安全阀等.研究发现,正极材料与电解质之间在高温条件下的反应是造成电池不安全性的主要因素,因此研制热稳定性较好的正极材料是锂离子动力电池的关键.在正极材料当中,热稳定性好的材料是LiMn2O和LiFePO,其中LiFePO来源丰富,对环境友好,热稳定性最佳,是理想的锂离子动力电池的正极材料,现已有LiFePO为正极材料的电池应用于水下装备中.2.3锂离子电池管理技术水下装备用动力电源一般都是由多个电池模块组成.电池管理技术是用来解决电池模块的充电管理,模块问散热以及模块内单体电池的监控,电池保护等问题,因此锂离子电池管理系统通常有电压检测装置,温度传感器,充放电设备,均衡充电保护电路,过温过压安全处理装置等部分构成.在充电过程中,传感器及电压检测数据定期采集传输给锂离子电池管理系统处理,使整个充电过程处于管理系统的监控之下,确保电池的安全运行.锂离子电池安全性问题一直都备受大家关注.相信经过大量的安全性研究和应用,不久的将来,锂离子安全问题可望得到比较彻底的解决.3展望在短短十几年中,锂离子电池各方面性能均得到很大的提高,随着水下装备的不断发展,将会对动力锂离子电池提出更高的要求,为了满足水下装备的要求,各发达国家都在投人大量人力物力,开展水下装备用锂离子电池的研究,研究主要方向是锂离子电池安全结构设计,电池管理系统设计和新材料的研究.随着锂离子电池技术的不断发展,锂离子电池在水下装备的应用一定会呈现出广阔的前景.参考文献:1蔡年生.锂离子电池用于海军装备的研究Jl船舶技术,2006,3:5O一53.2GRIFFINJ,OLIVERS,DUBOISN,eta1.AninnovationelectriclightweighttorpedotestbedfortechnologydevelopmentandinsertionJ.NavalForces,2001,SpecialIssue:1-3.3BANNERJ,GOVERCJ.Navysafetytestingoflithiumionbatteriesforthebattlespacepreparationautonomousunderwarvehicle(BPAUV)C/Proceedingofthe42ndPowerSouseConference,ArmyPowerDivisionUSArmyCommunicationsElectronicsCommanResearch,Dvelopment&EngineeringCenter,2006:1720.4ROSAID,DOLORESDC.Safetyclimateandattitudeasevalua-tionmeasuresoforganizationalsafetyJ.AccidentAnallysis&Prevention,1997,29(5):643650.5KREHLPW,PYSZCZEKMF.Dischargeandsafetycharacteristics