鋰離子電芯熱模型總結(jié)

熱管理 2024-09-13

鋰離子電芯熱模型總結(jié)

1 鋰電池系統(tǒng)建模過程概述

鋰離子電池系統(tǒng)，熱模型建立的大體過程。首先確定單體電池的生熱模型并確定影響參數(shù)。生熱模型包含的內(nèi)容，熱量來源和生熱速率。第二步，選擇熱傳導(dǎo)模型。把電芯真實結(jié)構(gòu)做適度簡化，保留熱傳播過程中的關(guān)鍵因素，忽略弱相關(guān)因素，平衡模型準確性和復(fù)雜性的關(guān)系。第三步（不在下文討論范圍），建立電池包系統(tǒng)熱模型。電芯生成的熱量在電池包范圍內(nèi)傳遞，進而向電池包外部傳遞。根據(jù)熱傳遞實際情形，簡化真實電池包結(jié)構(gòu)。如果系統(tǒng)內(nèi)包含熱管理系統(tǒng)，則熱量自電芯表面向外傳遞開始，熱量傳遞的路徑需要考慮散熱器等熱管理系統(tǒng)器件的作用。

2 鋰電池的熱量來源

鋰電池系統(tǒng)內(nèi)，工作狀態(tài)不同，其熱量來源會有所區(qū)別。

正常工作狀態(tài)電芯發(fā)熱來源

正常情況下，熱量主要來自鋰電池充放電過程中的電化學(xué)反應(yīng)，以及周邊電連接器件的自體發(fā)熱。

鋰電池發(fā)熱模型，應(yīng)用最廣的是Newman的生熱理論模型。模型認為鋰電池電化學(xué)反應(yīng)的四個過程有熱量產(chǎn)生，包括：反應(yīng)生熱，極化生熱，歐姆內(nèi)阻生熱和副反應(yīng)生熱。這四類熱量又被劃分成兩種性質(zhì)，可逆熱和不可逆熱。反應(yīng)熱，在放電過程中放熱，充電過程中吸熱，稱為可逆熱。其余部分，熱量產(chǎn)生以后，只有耗散掉一個途徑，稱為不可逆熱。在后來的不同應(yīng)用實例中，人們根據(jù)不同需求，對這四個組成部分作出簡化。

生熱速率模型，應(yīng)用最廣的是Bernardi模型，模型將可逆熱和不可逆熱分別考慮，建立了生熱速率與系統(tǒng)宏觀測量參數(shù)之間的聯(lián)系。通過電池的體積、電流、電壓、內(nèi)阻、溫度和溫度影響系數(shù)，可以推算出生熱速率。生熱速率是系統(tǒng)安全性的重要指標。

濫用狀態(tài)電芯發(fā)熱來源

濫用狀態(tài)下的鋰電池，其熱量來源與正常工作狀態(tài)不盡相同，電池濫用的熱模型必須單獨討論，針對具體濫用問題和經(jīng)歷的工作過程建立熱模型。下面的表述是關(guān)于熱濫用生熱模型的研究情況。

有研究表明，在充電過程中，負極與溶劑的反應(yīng)和負極表面沉積的鋰金屬反應(yīng)，是熱量的主要來源，而SEI膜分解熱與前兩者相比，數(shù)值小得多。在放電過程中，溶劑與正極材料活性物質(zhì)的反應(yīng)，產(chǎn)生主要熱量，負極與粘合劑以及負極與溶劑的反應(yīng)熱量相對比較小。

另有人研究鈷酸鋰在熱濫用條件下的主要熱量來源，發(fā)現(xiàn)正極材料與電解液的反應(yīng)生成主要的熱量。

以上結(jié)論，都是針對單體熱濫用情形下。擠壓、針刺、短路等情形，需要針對各自情況，單獨討論。

老化電芯發(fā)熱來源

在并未發(fā)生熱失控的狀態(tài)下，老化鋰電池工作過程中的發(fā)熱來源，類型與新電芯類似，也是前面提到的四種。但老化使得發(fā)熱量的比例關(guān)系發(fā)生了變化，老化發(fā)生的原因不同，其自發(fā)熱的組成比例也不相同。

有研究表明，以不同電流循環(huán)相同次數(shù)，循環(huán)電流大的電芯的工作發(fā)熱速率高；以同樣高溫（55℃）擱置同樣長時間，荷電狀態(tài)高的電芯工作發(fā)熱率高；循環(huán)發(fā)生老化與高溫擱置發(fā)生老化比較，剩余容量近似的電芯，擱置老化電芯內(nèi)阻增加值小于循環(huán)老化電芯，但擱置老化的發(fā)熱率反而高，這可能是擱置電芯的極化效應(yīng)更強烈引起的現(xiàn)象。

3 鋰電池單體生熱模型整理

3.1 電化學(xué)-熱模型

不同形式能量的的耦合模型，理論基礎(chǔ)一定是能量守恒。電化學(xué)反應(yīng)與熱的關(guān)系，其理論基礎(chǔ)是電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和熱力學(xué)，模型描述電能、化學(xué)能和熱能之間通過化學(xué)反應(yīng)、電勢和濃差的變化來描述電化學(xué)過程，并與外在的溫度取得聯(lián)系。

電化學(xué)-熱耦合模型，可以按照維度和對熱傳遞的方式的認識劃分種類。

按照維度劃分

電化學(xué)-熱模型有0至三維各種級別的模型。0維，認為電芯是一個發(fā)熱的質(zhì)點，在電芯內(nèi)部，不考慮熱傳遞的過程，電芯只作為熱源存在；1維，線性模型認為溫差只在一個方向上存在，熱量只在一個方向上傳遞，比如簡化了的圓柱電池模型就屬于此類；二維模型，考慮熱量在長度和寬度上的分布狀況。比如圓柱形電芯，使用二維模型已經(jīng)可以比較好的研究電芯單體的熱過程，但在電芯成組以后，其空間位置不再對稱，通過軸線的截面方位不同，熱的分布不同，則二維模型不再能很好的描述電芯溫度場。

三維模型，全面考慮溫度場在電芯上的實際分布情形。電芯可以不再是一個簡單的幾何體，電芯上比較細節(jié)的結(jié)構(gòu)也可以納入考慮范圍。

按照熱傳遞結(jié)構(gòu)劃分

這個劃分方式是人們進一步考慮電池詳細結(jié)構(gòu)對熱傳遞產(chǎn)生的影響才出現(xiàn)的，因此是在三維模型范圍內(nèi)的。

鋰電池內(nèi)部產(chǎn)熱的情形很復(fù)雜，正負極材料、隔膜、電解液、正負極集流體、極耳，每個部分都可以發(fā)熱。具體做出怎樣的簡化，與應(yīng)用場景有直接關(guān)系。應(yīng)用條件越是寬松，越不考驗電芯的極限能力，則模型可以越簡化。

三維均勻產(chǎn)熱模型，認為模型每個位置的性質(zhì)均勻一致，產(chǎn)熱和熱傳導(dǎo)的能力一致；三維分層模型，一種分層模型認為熱量只在電池中心產(chǎn)生，但熱傳導(dǎo)的過程是逐層進行，按照平壁模型計算的；另一種分層模型，認為不同層次各自發(fā)熱，層與層之間有熱傳遞發(fā)生；

三維分層細化模型，在三維分層的基礎(chǔ)上，增加考慮正負極集流體發(fā)熱和電解液歐姆熱，并且各個分層和發(fā)熱體之間有熱傳遞過程。更進一步，考慮隔膜發(fā)熱，區(qū)分可逆熱和不可逆熱；再進一步，考慮電芯殼體形狀、材質(zhì)和極耳的位置對溫度場的影響。

3.2 電-熱模型

相對于電化學(xué)-熱耦合模型關(guān)注電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、電化學(xué)反應(yīng)過程等偏細節(jié)的內(nèi)容，電-熱模型屬于偏宏觀的建模方式。電-熱模型中能夠反映的電芯參數(shù)大體包括電池外形尺寸，電極位置、尺寸等。人們利用這種模型進行的研究，主要是針對電芯的電流、電壓在電池本體上的分布情況，進而推測溫度的分布。從電-熱模型，擴展至電池包的整體系統(tǒng)熱模型，比較方便，可以指導(dǎo)電池組散熱裝置的設(shè)計，是應(yīng)用較多的模型。