【锂电池热特性研究5200字】

锂电池热特性研究目录TOC\o"1-3"\h\u15534锂电池热特性研究 1121501.1锂电池的结构以及工作原理 1298621.1.1锂电池的内部结构 1257741.1.2锂电池的工作原理 2197741.2锂离子电池的产热机理 3172151.3温度对锂离子动力电池性能的影响 413091.3.1温度对锂离子电池内阻的影响 4315061.3.2温度对锂离子电池温熵系数的影响 5125331.4锂离子动力电池的传热机理 6104251.5锂离子动力电池温升实验及结果分析 9锂电池的结构以及工作原理锂电池的内部结构按照结构的不同，锂离子电池可分为方形电池及圆柱电池两种类型。相较于方形电池而言，圆柱形锂离子电池具有尺寸小巧、成本低廉等优势，所以本文将对圆柱形锂离子电池进行研究。图2-1给出了圆柱形锂离子电池的结构示意图。图2.1圆柱形锂离子电池内部结构示意图圆柱形锂离子电池主要由电极、电解液、隔膜、集流体以及壳体这五部分构成，除此之外还有保护阀、垫片、排气孔、绝缘板以及正负极引线等辅助结构。锂离子电池的正极材料通常为含有锂离子的金属氧化物，如镍酸锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸三元锂以及磷酸铁锂。根据正极材料的不同，锂离子电池可分为：锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍酸锂离子电池、钴酸锂离子电池及镍钴铝三元锂离子电池。不同类型的锂离子电池在容量、循环次数、温度特性等性能参数上会有较大差异，表2-1给出了几种常见锂离子电池的性能参数。表2-1几种常见锂离子电池性能参数的对比性能参数钴酸锂镍酸锂锰酸锂镍钴锰三元材料磷酸铁锂理论容量(mAhg-1)274274148275170实际容量(mAhg-1)140190~21090~120180~190110~140标称电压(V)3.73.83.73.73.2耐过冲不耐不耐耐不耐耐热稳定性好较好较差较差好循环性能好差一般好好安全性差差好一般好绿色环保差差好较好好价格高较高低一般低不同负极材料对锂离子的嵌入和脱嵌有所影响，进而对锂离子电池的容量产生一定程度上的影响。目前，负极材料一般为石墨或碳纤维材料或某些金属氧化物。隔膜作为电池中相当重要的部件，其主要目的是分隔开正负极材料使电池中的电化学反应能够顺利的进行下去。目前，隔膜大多采用纳米纤维、多孔聚合物以及陶瓷等材料。电池中的电流传导主要通过锂离子在电解质中的定向移动得以实现。按照介质类型，电解质大致可以分为液体电解质和固体电解质两种。固体电解质种类较多，至于液体电解质则大多选用六氟磷酸锂试剂。目前，锂离子电池的外壳材料一般为铝、钢以及铝塑。锂电池的工作原理锂离子电池的充放电过程是通过锂离子在正负电极之间不断的嵌入与脱嵌来实现的。磷酸铁锂电池在充电过程中在正负电极上发生的电化学反应如下式所示。正极：（2-1）负极：（2-2）磷酸铁锂电池在放电过程在在正负电极上发生的电化学反应如下式所示。正极：（2-3）负极：（2-4）锂离子电池正常的充放电过程总是伴随着正负电极之间锂离子的反复嵌入与脱嵌，这不仅没有对电池晶体结构造成破坏，还在一定程度上避免了金属锂的沉积，防止在低温条件下产生锂枝晶，从而破坏电池隔膜，提高了电池的安全性能。锂离子电池的产热机理从前文可知，锂离子电池在充放电过程中会在箱体中累积大量的热，因此获取准确的产热量是设计电动汽车电池组热管理系统的基础。锂离子电池的在正常充放电过程中产生的热量分为以下四部分，即电化学反应热、电池内阻所导致的焦耳热、极化热以及副反应热这几部分。因此总生成热可用（2-5）表示：（2-5）式中，为锂离子电池的总产热，为锂离子电池的化学反应热，为锂离子电池内部电阻的焦耳热，为锂离子电池的极化热，为锂离子电池的副反应热。为电化学反应热，即电池内部的锂离子不断的脱离、嵌入正负极材料时所生成的热量。通常定义充电状态下电化学反应热为负，表示吸热；放电状态下的电化学反应热为正，表示放热。化学反应热的计算公式如下：（2-6）其中，m为电极质量，单位g；Q为正负电极化学反应产生的总热量，单位J；I为充放电过程中的电流值，单位A；M为摩尔质量，单位g/mol；F为法拉第常数。为焦耳热，是电流流过锂离子电池内部材料的欧姆内阻时所产生的，这部分热量无论是在充电还是放电过程中均为正值，其计算公式如下：（2-7）其中，I为充放电过程中的电流值，单位A；为锂离子电池内部欧姆电阻，单位Ω。为极化热，是由于锂离子电池在充放电过程中极化反应所产生的热量，该部分能量可以通过等效的极化电阻进行计算，且其始终为正值，其计算公式如下：（2-8）其中，I为充放电过程中的电流值，单位A；为等效的锂离子电池的极化电阻，其值，R为锂离子电池的总内阻，单位Ω。为锂离子电池的副反应热，其主要发生在电池材料分解、以及电解质发生分解等极端电池情况下。而在工程运用中，考虑的往往是锂离子电池正常运行的工况，因此在本论文中对副反应热不做考虑。温度对锂离子动力电池性能的影响温度对锂离子电池内阻的影响锂离子电池的内阻会随电池充放电倍率、温度、电池荷电状态（SOC）的变化而变化。重庆大学李涛ADDINNE.Ref.{F3228900-B962-4814-A364-4F384EF2FCB9}[16]在不同的环境温度下对磷酸铁锂电池进行放电实验，得到了磷酸铁锂电池的总内阻随SOC的变化规律，实验结果如图2-2所示；同济大学李斌ADDINNE.Ref.{BE0D1C12-A9FC-40D2-A734-C5B6E5E7DAFF}[17]则通过实验研究，得到了环境温度为20°C时，不同放电倍率下的锂离子电池其总内阻随SOC的变化规律，实验结果如图2-3所示。从图2-2中可以看出，锂离子电池的总内阻随着环境温度的升高而降低；当环境温度分别为25°C和45°C时，锂离子电池的总内阻在数值上十分接近，且明显低于电池在0℃放电时的内阻。当环境温度相同，且SOC处于0-0.2的区间内，电池内阻会随SOC的增大而快速下降；当SOC大于0.2时，电池内阻的变化很小。从图2-3中可知，在锂离子电池放电过程中，当SOC大于0.2时，不同放电倍率下的电池内阻均处于2到3.5（这为什么是图片格式）之间；同时也可以发现，当SOC一定时，在放电过程中，电池内阻随着放电倍率的增大而减小。一般来说，磷酸铁锂电池不会在SOC处于0-0.2的区间内工作。所以综上所述，在计算电池生成热时可将内阻看作一恒定值，本文取电池内阻为5.5QUOTEΩADDINNE.Ref.{DB5DBF37-7EE4-4D76-B38D-094DC4D697E9}[18]。图2-2不同温度下锂离子电池放电过程中总内阻变化曲线ADDINNE.Ref.{5C1D53D5-F995-4A13-B3D1-B5CE4561C78A}[16]图2-3不同放电倍率下锂离子电池总内阻变化曲线ADDINNE.Ref.{0312A005-FC80-409F-A91B-FD055447D321}[17]温度对锂离子电池温熵系数的影响根据2.2节中提到的Bernadi模型可知，温熵系数是求解锂离子电池生成热的重要参数。在电池放电过程中，温熵系数主要受SOC和环境温度的影响ADDINNE.Ref.{E4AF160F-165F-4534-9458-E7BCC262444C}[19]。同济李斌ADDINNE.Ref.{29FA2051-9208-4DF9-9386-9739C987618F}[17]通过实验研究，得到了四个不同温度区间内磷酸铁锂电池在放电时其温熵系数随SOC的变化规律，实验结果如图2-4所示。图2-4放电时不同温度区间的温熵系数曲线ADDINNE.Ref.{63C9BE41-A864-4609-B5A7-C40DEDBDD099}[17]从图2-4中可以看出，当锂离子电池处于放电过程且SOC在0.2-1的区间时，四条温熵系数曲线都呈现先上升后下降的趋势，并且逐步回到0附近，但在整个变化过程中，温熵系数变化幅度很小。因此在文本在计算锂锂离子电池生成热时，温熵系数取平均值0.15QUOTEmV/K。锂离子动力电池的传热机理由于本文考虑的是电动汽车市场上使用较多的风冷系统，因此在本节里将会对锂离子电池单体的自然对流换热过程进行仿真计算。由于锂离子电池单体内部产热结构较为复杂，不便于进行CFD仿真计算，所以为了在精度允许的情况下减少计算量并且提高CFD仿真效果，对电池的产热模型进行了如下简化：电池主要发热区域为其内部的卷绕结构，因为卷绕的层数很多且每一层厚度很薄，所以可以把电池体内部的发热区域简化为一个产热单体；将锂离子电池内部的产热单体当作为同一物理材料进行考虑，只考虑其在轴向、径向以及切向上物性的不同；不考虑锂离子电池体内部电流与温度分布的不均匀性所带来的物性偏差，认为电池体内部物性均为定值且不随温度等外界条件变化而变化。简化后电池具体结构示意图如图2-5所示：图2-5锂离子电池单体简化后结构示意图根据电池的散热途径进行分析可知，电池单体产热后热量的去向大致分为两种，1）随着其内部发热，单体内部往电池体表面的热传递过程中被电池体自身所吸收的部分热量；2）从电池体表面向周围环境空间，以热辐射、热对流等途径发散的热量，具体如下式所示：(2-9)式中，为电池单体产生的总热量；为电池内部发热区域往电池表面传递的过程中被电池自身吸收的部分热量；为从电池体表面向周围环境空间，以辐射、对流等方式发散的热量。由于电池体内部热辐射相比于热传递与热对流数值较小，且对电池体整体的温度分布情况影响较小，所以本论文未考虑辐射的传热量。下面将分别对电池的热传导与热对流过程进行详细分析：热传导根据锂电池单体的圆柱结构可以建立起一个圆柱坐标系，并以此分别建立起电池在轴向、径向以及切向上的热传导方程。再根据三个方向上的热传导方程，建立起整个圆柱体电池的能量守恒方程。具体三个方向上的热传导方程分别如下所示：(2-10)式中，、、分别对应着锂电池在径向、切向以及轴向三个不同方向上的热通量。通过对这三个不同方向上的热通量进行微分，则可以获得这三个方向上的热流密度，进而获得单位时间内流入微元体的净热流量，最后结合能量守恒定律得出锂离子电池在圆柱坐标系下的能量守恒方程，具体方程如下所示：(2-11)(2-12)式（2-11）分别为微元体在三个不同方向上的净热流量；式（2-12）则为锂离子电池在该圆柱坐标系下的能量守恒方程；其中，，，分别对应着电池内部不同方向上的导热系数；为电池内部微元体在单位时间、单位体积时的发热量。锂离子电池内部的发热量只有通过热传导才能从内部传递到电池表面，再通过进一步的热量传递来保证电池始终工作在合适的温度范围内。而且当前市场的绝大部分电池都会选择极薄的高导热材料作为壳体，不会对电池体的传热过程造成太大影响。热辐射由于锂离子电池组正常工作时温差较小，电池之间的辐射传热较弱，因此整个电池组内只体现为电池体向四周电池箱体内壁的辐射传热。根据Stefan-Boltzmann定律可以推导出电池体与电池箱体之间单位面积的辐射传热量，具体公式如下所示：(2-13)式中，为电池黑度；为黑体辐射常数，其数值为；和则分别对应着电池表面平均温度与电池箱体壁面平均温度，其单位均为K。热对流热对流作为电池组内占比最高的散热方式，其散热量同样也受导温差与接触面积的影响，一般体现为温差越大、接触面积越大，其散热量也会越大。具体关系可以通过牛顿冷却公式来进行表示，如公式（2-14）所示：(2-14)式中，h为表面传热系数，单位是；A为冷却流体与散热壁面的接触面积，单位是m2；和则分别对应着接触壁面的平均温度与冷却流体的平均温度，单位是℃。而实际的对流散热过程则会因为流体的粘性，而产生一个相对稳定的无滑移边界层。该边界层的厚度同时受到冷却流体的黏度、冷却流体与散热壁面之间的相对速度以及散热壁面的条件等影响。因此实际的对流散热过程大致分为两部分，在该边界层内近似等于散热壁面与冷却流体之间的热传导，在边界层之外则是流体边界层与边界层外流体之间的对流换热。其中，为边界层的厚度，为电池体散热壁面的平均温度；和分别对应着流体边界层内、外表面的平均温度；箭头则表示着热量的传递方向。因此根据散热量的在边界层上的能量守恒可以推导出其对流换热系数，具体细节如式（2-15）所示：(2-15)对式（2-15）分析可知，同时存在着多种因素影响对流换热系数。当边界层厚度增大时，对流换热系数h减小。而边界层厚度又与冷却流体的黏度有关，其粘度越大，生成的边界层越厚，进而导致对流换热系数h的减小，不利于换热过程的进行；同理随着冷却流体与散热壁面的相对速度不断增大，边界层的厚度同样也会不断变薄，导致对流系数h的减小，削弱换热的强度；冷却流体的温度变化也会对对流换热系数h产生影响，而冷却流体的温度又由其自身物性与冷却流道设计而控制，因此可以通过改善冷却流体与流道来实现强化换热。锂离子动力电池温升实验及结果分析为了更好的验证锂离子电池热模型建立的准确性与可靠性，北京理工大学的王腾ADDINNE.Ref.{385638E7-0D41-48FD-A899-071CFA644126}[18]通过搭设实验台架，对锂离子电池的温升进行了实验上的测量。实验器材包含着，一节IFR38120磷