圓柱鋰離子動力電池電熱特性仿真

圓柱鋰離子動力電池電熱特性仿真杜雙龍;賴延清;賈明;程昀漲紅亮;張凱瀏業(yè)翔【摘要】基于COMSOLMULTIPHYSICS平臺建立三維熱仿真模型,定量分析不同工作電流條件下的溫度分布.結(jié)果表明:單體及模塊最高溫度集中在中心區(qū)域,溫度呈輻射狀由內(nèi)向夕卜逐漸降低.在換熱系數(shù)20W/(m2K)作用下，低于8C倍率放電可使單體電池工作在正常溫度范圍，而使三并五串電池模塊最高溫度在正常范圍,放電電流應(yīng)低于5C;在5C倍率下放電結(jié)束后，荷電狀態(tài)(SOC)為0模塊中心電池最高溫度達(dá)到322.88K,比同倍率絕熱條件下單體最高溫度僅低2.81K.【期刊名稱】《中國有色金屬學(xué)報》【年(卷)，期】2014(024)007【總頁數(shù)】8頁(P1823-1830)【關(guān)鍵詞】鋰離子電池;熱模型;溫度分布;仿真【作者】杜雙龍;賴延清;賈明;程昀漲紅亮;張凱瀏業(yè)翔【作者單位】中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，長沙410083;中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，長沙410083;中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，長沙410083;中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，長沙410083;中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，長沙410083;中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，長沙410083;中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院，長沙410083【正文語種】中文【中圖分類】TM911圓柱形鋰離子電池由于具有各個方向張力可相互抵消，不易膨脹變形，一致性較好，并且產(chǎn)生氣體不易泄露、耐壓性好等優(yōu)點(diǎn)，在電動工具等高功率應(yīng)用領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［1-3］，但是其所產(chǎn)生的熱問題依然不可忽視。實際應(yīng)用中為提供足夠容量，一個大型電池組通常由多個單體電池并聯(lián)或串聯(lián)組成，這種結(jié)構(gòu)潛在增加了電池的接觸電阻，而接觸電阻產(chǎn)熱是電池重要的熱源之一，因此，這造成了電池運(yùn)行過程中歐姆熱的增加。如果熱量不能及時散失，便在有限空間累積，從而致使電池的溫度升高。電池散熱率與生熱率的關(guān)系如圖1所示，T0是穩(wěn)態(tài)溫度平衡點(diǎn)，T1是非穩(wěn)態(tài)溫度平衡點(diǎn)，在T1以下溫度，散熱速率強(qiáng)于生熱率，電池的溫度降低至平衡點(diǎn)T0，在T1以上溫度，生熱率強(qiáng)于散熱速率，溫度不斷升高，電池將面臨熱失控，最終到達(dá)著火點(diǎn)溫度T2。鋰離子電池正常工作溫度范圍在-20~50°C，若高于50°C,電化學(xué)性能和循環(huán)壽命會明顯下降［5］。另外，電池組在運(yùn)行過程中不僅要求各電池單體間具有電化學(xué)一致性，還要保證具有溫度一致性。研究表明，為保證電池正常工作，電池單體溫差不應(yīng)大于6C［6］。圖1電池生熱與散熱的平衡關(guān)系［4］Fig.1Relationshipbetweenheatgenerationrateandheatdissipationrate［4］鑒于鋰離子電池實際工況的復(fù)雜性，單純使用實驗測量的方法研究電池的電熱性能需要花費(fèi)大量的人力、物力。使用計算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)，建立電池電熱模型研究電池?zé)嵝袨椋軌蛴行Эs短設(shè)計周期，節(jié)約時間和成本［7-9］。BERNARDI等［10］基于能量守恒的基本原理，通過鋰離子電池的熱力學(xué)計算，提出目前被廣泛使用的電池?zé)崮Ｐ?；JEON等［11］在柱坐標(biāo)下，以LiCoO2/C體系為研究對象，建立18650圓柱電池電熱模型，采用有限元分析方法對放電過程熱效應(yīng)進(jìn)行研究，只考慮放電過程中的焦耳熱和熵變熱，研究發(fā)現(xiàn)高倍率下焦耳熱在熱量來源中占主導(dǎo)地位，低倍率條件下熵變熱在熱量來源中占據(jù)主要地位。周方等［12］針對不同廠家18650型號的3.7V/2Ah錳酸鋰動力電池，采用非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程對電池溫升問題進(jìn)行數(shù)值計算模擬，并實驗驗證得出電池內(nèi)阻R對溫升有較大影響。以上圓柱電池模擬文獻(xiàn)研究電熱模型建立機(jī)理，對模型進(jìn)行優(yōu)化，并且根據(jù)實際研究電池單體類型，建立相應(yīng)簡化模型，從不同角度對電池?zé)岱植歼M(jìn)行分析。單體電池以及模塊熱行為是影響其性能發(fā)揮的關(guān)鍵，較高倍率放電下的熱問題已不容忽視，尤其是對于電動工具所使用的電池模塊，在密閉工作環(huán)境缺少高效外部散熱措施下，其熱量更易累積，導(dǎo)致發(fā)生安全問題，但是在此條件下開展電池模塊實驗研究，具有較大難度。本文作者以鋰離子電池?zé)崮Ｐ蜑槔碚摶A(chǔ)，基于COMSOLMULTIPHYSICS仿真平臺，建立電動工具用18650鋰離子電池單體以及三并五串電池模塊三維模型，并結(jié)合實際應(yīng)用中部分圓柱電池組在密閉空間的工況特點(diǎn)，研究工作電流以及特定換熱系數(shù)條件下的溫度分布，為圓柱形電池及電池組的優(yōu)化設(shè)計及熱管理提供理論指導(dǎo)。1仿真及計算方法1.1模擬對象本研究使用的是卷繞型18650電池。正極活性材料為錳酸鋰，負(fù)極活性材料為石墨，標(biāo)稱電壓3.7V，標(biāo)稱容量2.5A-h。表1所列為實驗用錳酸鋰體系單體電池基本參數(shù)。表1卷繞型錳酸鋰電池單體基本參數(shù)Table1ParametersoflithiumionbatteryCapacity/(A-h)Mass/gDensity/(kg-m-3)Voltage/VDimension/mmHeight/mm2.5482055.23.718651.2模型建立為簡化模型計算，提高模型的實用性和收斂性，通常模型需要做以下幾點(diǎn)合理假設(shè):電池內(nèi)部各種材料具有各向同性且物理性質(zhì)均一；電池內(nèi)部電解液流動性很差，忽略其內(nèi)部對流換熱影響；電池內(nèi)部發(fā)熱均勻。圖2三并五串電池模塊半結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2Semi-structureofschematicdiagramofbatterypack模塊由1~15共15個18650電池單體組成三并五串電池組，各單體間距3mm,外部鋁制箱體厚度2mm,整個電池組處在封閉環(huán)境中。整個模型可看做由3個部分構(gòu)成：鋁外殼、內(nèi)部空氣和電池組。由于體系具有對稱性，圖2所示為三并五串電池模塊的半結(jié)構(gòu)示意圖，MN是電池組中心線；EFGH面是中心截面。仿真研究中假定每個單體電池的生熱速率相同，且電池能夠進(jìn)行理論完全放電(即假定放電倍率為nC,則放電時間為s)。電流條件為1C、3C、5C、8C、10C，初始溫度均為300K。1.3熱物性參數(shù)熱物性參數(shù)是電池模擬過程中的基礎(chǔ)，可靠的參數(shù)對工況條件下的模擬結(jié)果準(zhǔn)確性有很大影響。表2所列為各材料的熱物性參數(shù)，其中正極材料、負(fù)極材料、隔膜的物性參數(shù)參照文獻(xiàn)［13］,其他材料物性參數(shù)通過查閱手冊［14］得到。表2用于建模的錳酸鋰電池單體各材料的物性性能參數(shù)Table2Thermalphysicalpropertiesparametersoflithium-ionbatterymaterials?計算過程中鋰離子電池的平均比熱容可以通過式(1)計算：式中：pcell、pi分別為電池的平均密度、各種材料的密度；ccell、ci分別為電池的平均熱容、各種材料的比熱容；Vi為各種材料所占的體積。由于鋰離子電池是由多層的不同材料浸潤在電解液中，因此電池的導(dǎo)熱系數(shù)存在各向異性。根據(jù)傳熱的基本原理，傳熱分為并聯(lián)傳熱和串聯(lián)傳熱兩種。并聯(lián)平均導(dǎo)熱系數(shù)可以通過式(2)確定，串聯(lián)平均導(dǎo)熱系數(shù)可以通過式(3):式中：入x、入y、入z分別為單體電池內(nèi)核材料x、y、z方向?qū)У臒嵯禂?shù)fp、入n、入s分別表示電池單體內(nèi)的正極極片、負(fù)極極片、隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)。圓柱型電池在徑向可以看做是正極極片、負(fù)極極片、隔膜串聯(lián)；軸向可看做是三者的并聯(lián)。經(jīng)計算，得單體圓柱電池內(nèi)核材料各方向?qū)嵯禂?shù)為Ax=Ay=0.89724J/(mK),Az=29.557J/(mK)，電池內(nèi)芯的平均比熱為1.3991kJ/(kg?K)，平均密度為2055.2kg/m3。1.4模型載荷及邊界條件鋰離子電池?zé)崮M的本質(zhì)是電池內(nèi)部能量偏微分守恒方程如式(4)所示：式中：P為電池平均密度；cp為電池平均比熱容；T為溫度；t為時間；q為電池內(nèi)生熱率?？紤]到電池單體的體積整體較小，因此，在計算中將電池看做均一發(fā)熱體。電池?zé)崃縼碓粗饕獮殡姵貎?nèi)芯生熱。由于實時準(zhǔn)確測量電池的生熱速率非常困難，因此，計算電池內(nèi)芯生熱時采用Bernardi電池生熱速率方程：式中：I為電流；V為電池體積；Eoc為電池平衡電動勢；U為電池工作電壓；T為電池初始溫度，取300K；dEoc/dT為電池電壓隨溫度變化的溫度系數(shù)，取0.22mV/K［15］。計算過程中Eoc-U等于IR(R為電池內(nèi)阻)。嚴(yán)格意義上講，電池在充放電過程中，由于其各部位的電流密度的不同，將導(dǎo)致各點(diǎn)熱物性參數(shù)略有差異。但目前所用的熱模型在充放電過程中采取相同的熱物性參數(shù)，其不同主要體現(xiàn)在生熱速率模型上［16］。根據(jù)牛頓冷卻定律，鋰離子電池?zé)崮Ｐ偷倪吔鐥l件可以用式(6)來描述:式中：h為電池表面與周圍流體間的對流傳熱系數(shù)；Tamb為周圍流體的溫度；T8電池表面溫度；入為電池表面材料的導(dǎo)熱系數(shù)；n表示垂直電池表面的矢量方向。1.5網(wǎng)格模型采用自由四面體剖分網(wǎng)格，得到的單體網(wǎng)格模型如圖3(a)所示，用同樣方法進(jìn)行電池組網(wǎng)格劃分(見圖3(b))。其中單體電池共計212148個網(wǎng)格，模塊共計462183個。圖3自由四面體剖分網(wǎng)格Fig.3Finiteelementmodeloflithium-ionbattery:(a)Cell;(b)Packs2結(jié)果與討論2.1單體電池?zé)嵝?yīng)和溫度分布為研究單體電池在不同電流下的熱效應(yīng)，對上述單體分別進(jìn)行1、3、5、8、10C放電，設(shè)定的電池表面換熱系數(shù)為20W/(m2K),其溫度變化曲線如圖4所示。圖4不同放電倍率下單體溫度變化Fig.4Comparisonoftemperaturedifferenceunderdifferentdischargerates從圖4可以看出，8C以上倍率電池溫升幾乎呈直線上升。這是因為在此高倍率下，電池內(nèi)部生熱率非常高，而外部對流相對較小，電池的生熱率遠(yuǎn)大于散熱率，熱量不斷累積，使得單體中心位置溫度急劇升高。模擬結(jié)果顯示，8C放電結(jié)束后，電池最高溫度達(dá)到328.53K，超過正常工作溫度范圍323.15K，電池將面臨熱失控的風(fēng)險；在1C放電條件下，由于單位時間電芯產(chǎn)熱較小，在設(shè)定的電池表面換熱系數(shù)下，電池內(nèi)部生熱量能夠很好的散失到周圍環(huán)境，電池基本保持熱平衡狀態(tài)，放電結(jié)束后溫度升幅很小，僅有0.83K。圖5所示為此單體電池在5C倍率放電結(jié)束時溫度分布，表面換熱系數(shù)為20W/(m2-K),整^體溫度分布如圖5(a)所示；為清楚地觀察單體內(nèi)部溫度分布，取單體YOZ截面，如圖5(b)所示?？梢钥闯?，電池最高溫度分布于單體中心區(qū)域，電池表面由于對流換熱，溫度較低。根據(jù)仿真結(jié)果，電池內(nèi)部最高溫度可達(dá)到313.16K。從前面計算可以看出，電池徑向?qū)嵯禂?shù)遠(yuǎn)小于軸向?qū)嵯禂?shù)，這使得在相同時間同等間距內(nèi)，徑向?qū)崃窟h(yuǎn)小于軸向?qū)崃?。?C放電條件下，電池活性材料生熱率較高，夕卜部換熱率相對較小，電池內(nèi)部在較短時間內(nèi)累積大量熱量。越靠近電池兩端，軸向?qū)嵊绊懺矫黠@，因此，在單體高度方向上，呈現(xiàn)如圖5(b)的溫度分布。圖518650/2.5Ah單體電池5C放電結(jié)束仿真溫度場Fig.5Simulatedcontoursoftemperaturefor18650/2.5Ahcellatendof5Cdischarge:(a)Overalltemperaturefield;(b)YOZcrosssectiontemperature2.2電池模塊熱效應(yīng)和溫度分布電動工具實際使用過程中，根據(jù)工作工況需求，電池組需要在不同電流條件下正常工作，大電流工作對模塊性能發(fā)揮將是重大考驗。表3所列為不同工作電流下中心電池8，邊角電池1以及模塊內(nèi)部不同單體之間溫差變化情況。由表3可以看出，電池活性材料溫差隨著電流增大而增大，且邊角電池的溫差比中心電池的溫差更大，即溫度分布均勻性更差；模塊內(nèi)部單體之間的溫差A(yù)Tmax也隨電流逐步增大，這對模塊內(nèi)部電池組熱管理提出了考驗。另外，5C倍率放電結(jié)束時，中心電池溫度達(dá)到322.85K，接近323.15K;8C放電結(jié)束最高溫度達(dá)到336.45K。這遠(yuǎn)超過正常工作溫度范圍，不僅存在熱失控的隱患，并且嚴(yán)重?fù)p害電池的使用壽命，所以應(yīng)盡量避免此電池組在5C及以上倍率放電。注意到5C放電結(jié)束時，中心電池8最大溫差1.45^左右，邊角電池5為1.94^左右，可見5C倍率放電下模塊中單體電池具有較好的溫度均勻性，此外，注意到模塊內(nèi)部不同單體間最大溫差僅為2.90°C,說明電池組整體溫度均勻性較好。在5C倍率下，放電結(jié)束(SOC=0)模塊中心電池最高溫度達(dá)到322.88K，僅比同倍率絕熱條件下單體最高溫度低2.81K。其主要原因是模塊換熱系數(shù)作用在箱體表面，通過降低箱體表面的溫度進(jìn)而在箱體內(nèi)部產(chǎn)生一定溫度梯度，中心電池在此梯度下由內(nèi)向外傳輸熱量，而對于單體電池，換熱系數(shù)直接作用于電池殼體，電池內(nèi)部將產(chǎn)生較大的溫度梯度，熱量傳輸很快，因此其降溫效果也更明顯。這種情況下模塊中心電池接近于絕熱過程。為清楚了解電池內(nèi)部溫度分布情況，對模塊進(jìn)行不同倍率放電，放電結(jié)束(SOC=0)時中心截面EFGH溫度分布如圖6所示。由圖6可以看出，不同倍率電流放電時，電池中心截面溫度具有大致相同的分布規(guī)律，即高溫區(qū)都集中在中心電池活性材料位置，靠近邊緣的部分溫度逐漸降低。表3鋰離子電池模塊不同倍率放電結(jié)束(SOC=0)時電池溫度情況Table3Temperaturedistributionoflithium-ionmoduleatdifferentdischargeratesTemperaturerise/KRate/CHeattransfercoefficient/(W?m-2K-1)Cell8Cell1ATmax/KTmax/K1200.230.300.45304.193200.801.061.61313.765201.451.942.90322.888202.583.505.17336.4510203.434.716.89345.42圖6不同放電倍率下放電結(jié)束模塊中心截面EFGH溫度分布Fig.6Temperaturedistributionofcross-sectionEFGHofbatterymoduleunderdifferentdischargerates:(a)1C,3600s;(b)3C,1200s;(c)5C,720s;(d)8C,450s圖7所示為電池模塊在不同工作電流時MN線上溫度變化。由圖7可以看出，溫度變化曲線具有對稱性，小于5C倍率工作電流下，電池模塊內(nèi)部具有良好的溫度—致性；大于5C時，溫度的一致性則變差。曲線兩端的急劇變化是由于外層電池與箱體之間存在較大的溫度梯度，可以定性看出，低倍率下此梯度較小，高倍率下此梯度較大。另外，隨著工作電流的增大，電池生熱率增強(qiáng)，而電池中心尼龍材料以及內(nèi)部空氣的熱阻較大，熱量不能夠及時散失，由此產(chǎn)生的溫度梯度也越來越大，即曲線的波動性也逐漸趨于顯著。圖8(a)所示為5C倍率放電結(jié)束時電池模塊整體溫度分布。由圖8(a)可以看出，模塊表面溫度呈現(xiàn)不均勻性，上下表面中心區(qū)域溫度稍高，前后左右面域溫度略低。為更清楚看出電池組內(nèi)部的溫度分布情況，圖8(b)給出此模塊不同位置YOZ切面溫度結(jié)果。圖7不同倍率放電結(jié)束中心線MN溫度分布Fig.7ComparisonoftemperaturechangealongMNlineunderdifferentdischargerates圖8三并五串電池模塊5C放電結(jié)束(SOC=0)溫度分布Fig.8Temperaturedistributionofpackatendof5Cdischarge:(a)Overalltemperaturefield;(b)YOZcrosssectiontemperature為研究模塊內(nèi)部溫度動態(tài)變化，假定外表面換熱系數(shù)為20W/(m2K),在5C倍率下，分別在放電深度(Depthofdischarge,DOD)^0、0.2、0.4、0.6、0.8、1等6個關(guān)鍵點(diǎn)處給出中心線MN上溫度變化，如圖9所示。圖95C倍率不同放電深度時模塊中心線MN溫度變化Fig.9ComparisonoftemperaturealongMNlineofpack:(a)TemperaturechangeatdifferentDOD;(b)TemperaturechangeatDOD=0.4由圖9(a)可以看出，隨著電池組放電深度加強(qiáng)，電池中心線上溫度逐漸增高，曲線上移，同時曲線出現(xiàn)振蕩，線上溫度均勻性變差；除此之外，可以定性看出夕卜部電池與鋁箱之間的溫度梯度也逐漸增大。圖9(b)給出模塊在DOD=0.4時刻的中心線MN溫度分布，圖中6~10依次代表從右至左電池單體，綠框代表模塊中電池單體之間間隙，紅框代表電池單體與箱體之間間隙，可以看到中心線MN上分布的五塊電池溫度具有對稱性，中心電池8溫度最高，兩側(cè)電池溫度依次減??；并且6~10單體電池曲線均由兩個波峰，一個波谷組成，波峰是電池活性材料區(qū)域溫度較高所致，波谷是因為電池中心尼龍材料溫度較低。注意到圖9(b)中6單體曲線部分右側(cè)波峰高于左側(cè)，表明此條件下單體內(nèi)部活性材料之間存在一定溫度梯度。由于模塊中電池組具有高度對稱性，以右上角6個單體電池為研究對象，分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。圖10所示為5C倍率放電結(jié)束時右上角電池整體溫度分布和中心截面溫度分布。由圖10可以明顯看出，電池組內(nèi)部以及單體內(nèi)部溫度分布具有不均勻性，且單體中心區(qū)域溫度偏高，兩側(cè)較低；電池組體系溫度分布由內(nèi)向夕卜呈輻射狀，單體內(nèi)部越靠近中心位置，溫度越高，遠(yuǎn)離中心位置溫度則較低；中心電池溫度最高，且分布比較均勻；電池中心尼龍材料由于比熱很大而導(dǎo)熱系數(shù)較小并且沒有熱量產(chǎn)生，因此活性材料區(qū)域所產(chǎn)生的熱量不易傳遞到該部分，只是其溫度較低。在實際應(yīng)用中，為促進(jìn)模塊內(nèi)部單體之間的溫度分布均勻性，提高電池組倍率性能，通常采用其它填充介質(zhì)，如水，煤油，以及熱容較大的相變材料(Phasechangematerials,PCM)等［17-19］。除此之外，電池模塊中單體溫度分布特性也不容忽視，應(yīng)積極針對不同電池溫度分布設(shè)計合理的電池成組方式以及冷卻機(jī)制，因篇幅關(guān)系，相關(guān)研究工作另外成文。3結(jié)論電池單體高溫度區(qū)位于單體中心區(qū)域，并且在外部對流換熱系數(shù)為20W/(m2K)下，5C倍率放電結(jié)束(SOC=0)時，內(nèi)部最高溫度可達(dá)到313.16K；8C放電結(jié)束時，最高溫度達(dá)到328.53K，略高于電池正常工作的上限溫度，需進(jìn)行強(qiáng)化散熱。電池模塊高溫度區(qū)集中于中心區(qū)域，溫度分布由內(nèi)向外逐漸降低；隨著放電倍率增加，模塊內(nèi)部溫度均勻性變差；箱體表面換熱系數(shù)為20W/(m2K),5C放電結(jié)束中心電池溫度達(dá)到322.88K，接近電池正常工作上限溫度323.15K，可見在此對流換熱條件下，為保證電池組正常工作，應(yīng)控制放電電流在5C以下。模塊中心電池在箱體表面換熱系數(shù)為20W/(m2K),5C倍率放電下的最高溫度接近于絕熱過程下單體的最高溫度，并且電池組整體溫度均勻性較好。REFERENCES【相關(guān)文獻(xiàn)】RAMADASSP,HARANB,WHITE,R,POPOVBN.CapacityfadeofSony18650cellscycledatelevatedtemperaturesPartI.Cyclingperformance[J].JournalofPowerSources,2002,112(2):606-613.RAMADASSP,HARANB,WHITER,POPOVBN.CapacityfadeofSony18650cellscycledatelevatedtemperaturesPartII.Capacityfadeanalysis[J].JournalofPowerSources,2002,112(2):614-620.KHATEESA,FARIDMM,SELMANJR,AL-HALLAJS.Designandsimulationofalithium-ionbatterywithaphasechangematerialthermalmanagementsystemforanelectricscooter[J].Journalo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