【《锂离子单电池的放电倍率探究案例》2000字】

锂离子单电池的放电倍率探究案例1单电池放电倍率首先研究单电池在不同放电倍率下的热响应。在环境温度，自然对流条件下，分别以1C、3C、5C的放电倍率让单电池从满状态放电，放完截止。在Fluent中进行数据处理，根据仿真结果，得到在1C、3C、5C放电倍率下，放电截止时电池温度的分布图，如图3.1所示。在室温默认300K的条件下，完全放电，1C放电倍率时，单电池最高温度上升到了311.9K，最大温升11.9K；3C放电倍率时，单电池最高温度上升到了354.4K，最大温升54.4K；5C放电倍率时，单电池最高温度上升到了408.3K，最大温升108.3K。比较三个图可知，电池的最高温度一般是出现在两个电池极耳之间的下方，位于电池主体上分的部分，最低温度则是电池主体最下方的位置。出现这种情况的原因可能是，在两个极耳之间电子的交换最频繁，产生较大的电流，故而产生了大量的热，温度升高最明显。图3.1依次为单电池1C、3C、5C放电的温度分布图对1C、3C、5C放电倍率下的最高温度做横向比较，在三种不同放电倍率下的最高温度变化图如图3.2所示。图3.21C、3C、5C放电倍率下最高温度变化图图中横轴是电池放出的电量，竖轴是单电池的最高温度，可以很明显的看出随着放电倍率的增大，在同样的放电量下，单电池最高温度也逐渐增大。对于1C放电，单电池最高温度变化不大，但对于5C放电，最高温度急剧升高，甚至出现了热失控的现象。这个现象很好解释，电池放电倍率越高，放电越快，电流越大，产热自然就更多，温随之升高。在实际使用中，电池的电量是通过电池剩余电压的多少来进行数值衡量的，因此，电池的电压也是一个比较重要的参数，Fluent数据进行处理后，得到图3.3的1C、3C、3C放电下的电池电压曲线。图3.31C、3C、5C放电倍率下的电压曲线图中横轴是电池放出的电量，竖轴是单电池的电压。显而易见，电池的放电倍率越大，电压下降的就越快。此外，比较有意思的一点是，在1C放电下，电池可以完全放电（即电池容量降为0），最终电压在2.2V左右。但是在3C和5C放电下，电池会剩余一点电量，电压却比1C放电下更低，会降到1.9V左右。可能是由于在高倍率放电下，放电速度过快，电压下降的太剧烈，过快达到了模拟软件所设定的最低放电电压，于是默认已经放完电。这点从5C放电下的剩余电量会比3C放电下剩余的电量更少可以得到一定的证明。在影响电池性能和寿命的诸多因素中，最大温差也是一个重要参数，最大温差太大必然会导致部分电池的充放电性能、容量和寿命等下降，从而影响整个系统的性能，严重时甚至会引发热失控，造成事故，具有严重的安全隐患。因此本文研究了不同放电倍率下的最大温差。在1C倍率下，经过3670s电池完全放电，最高温度311.9K，最低温度310.7K，最大温差1.2K，整个电池温度差别不大；在3C倍率下，经过1140s完全放电，最高温度354.4K，最低温度343.5K，最大温差10.9K，相比1C倍率下有明显提升；在5C倍率下，经过730s完全放电，最高温度408.3K，最低温度374.6K，最大温差33.7K，整个电池的最大温差已经较为明显，会影响到电池的寿命，故而应当尽量避免长时间高倍率的放电。为了验证不同使用环境对电池温度的影响，本文还针对电池在不同的对流条件下进行了计算分析。图3.4表示不同对流系数与电池温度的变化曲线，由图3.4可得出以下结论：（1）在对流换热系数较小时，对比h=10W/m2k和h=50W/m2k，对流换热虽然只提升了40W/m2k，但最大温度却可以降低25℃，显然提升对流换热系数有着很明显的降温效果；在对流换热系数较大时，对比h=50W/m2k和h=90W/m2k，对流换热系数同样提升了40W/m2k，但最大温度只降低了5℃，显然此时对流换热系数的增大并没有给散热带来很大的帮助。这说明了在对流换热系数达到一定的数值时，已经能够较为完全的给电池散热，此时继续增大对流换热系数只能带来很微弱的散热作用，得不偿失。（2）在h=10W/m2k时，完全放电后，最大温度337K，最大温差9K，在h=50W/m2k时，完全放电后，最大温度311K，最大温差4K，在h=10W/m2k时，完全放电后，最大温度307K，最大温差3K。可见随着表面对流换热系数的升高，不仅电池最大温度随之降低，电池的温差同样降低。随着对流强度的增加，电池外部的散热条件越好，温度越低，但电池内部的散热却并无改变，内部和外部的温度差会变大。图3.4在3C放电下不同对流换热系数与电池最高温度的关系2单电池的各向异性锂电池本身是由多层材料堆积起来的，故而其各个方向的导热系数不尽相同。由于对平行电池平面两个方向来说，是同一种材料，只是长度不同，在模拟中近似等同于导热系数相同，只需要研究通过电池平面那个方向的导热系数。给垂直电池平面的方向导热系数分别赋予1、2、5、10W/mk，在λ=1W/mk时，最高温度353.3K，最低温度341.4K；在k=2W/mk时，最高温度353.2K，最低温度341.5K；在λ=5W/mk时，最高温度353.1K，最低温度341.5K；在λ=10W/mk时，最高温度353.0K，最低温度341.5K。可以看出在垂直电池平面方向虽然导热系数不同，但电池的最高