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鋰離子電池產(chǎn)熱規(guī)律的仿真及實(shí)驗(yàn)分析

來源：測(cè)試GO 時(shí)間：2022-11-11 11:08:10 瀏覽：3518次

鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，是基于高溫環(huán)境對(duì)電池特性產(chǎn)生的熱作用，根據(jù)電池的電化學(xué)特點(diǎn)和產(chǎn)熱原理，基于具體電池的最高充放電溫度區(qū)間，經(jīng)過科學(xué)合理的研究制定,建立在材料學(xué)、電化學(xué)、傳熱學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)等多專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)上，為克服動(dòng)力電池在環(huán)境溫度過高或過低條件下運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生熱散逸或發(fā)熱失控等現(xiàn)象，從而改善動(dòng)力電池總體特性設(shè)計(jì)的一種新工藝。

很多的電池安全事故，都是由于電池短路所造成的。在電池短路時(shí)，過大的電壓就會(huì)在電池里面形成巨大的熱能,使得電池的工作溫度迅速地提高。過高的工作溫度會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部嚴(yán)重的高溫失控，從而導(dǎo)致電池完全燒毀，乃至自爆。所以，對(duì)動(dòng)力電池的能量產(chǎn)生機(jī)制的研究是鋰電池可靠性研究的非常關(guān)鍵的方面。為了可以對(duì)動(dòng)力電池(組)實(shí)施合理的熱控制，進(jìn)一步提高動(dòng)力電池的穩(wěn)定性，火災(zāi)實(shí)驗(yàn)室的科研人員選取了商用的鈦酸鋰軟包電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)和仿真兩種方法對(duì)鋰離子電池循環(huán)充放電的產(chǎn)熱過程和熱量分布進(jìn)行了研究。

科研人員首先使用COMSOL 多物理場(chǎng)仿真軟件建立電池的三維電化學(xué)模型，模型耦合了電場(chǎng)和溫度場(chǎng)，可以觀察電池內(nèi)部及表面的溫度變化。為驗(yàn)證模型更具有準(zhǔn)確性，科研人員對(duì)電池表面的溫度進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。科研人員將鋰電池放置到絕熱加速量熱儀（ARC）中，然后利用充放電循環(huán)儀對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)充放電，并用熱電偶記錄電池表面的溫度變化。通過比較仿真和測(cè)量得到的電池表面溫度數(shù)據(jù)，科研人員可以深入了解模型參數(shù)設(shè)置的合理性。

絕熱 1.0 C 充放電循環(huán)條件下鋰離子電池溫升的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比圖

【注：實(shí)線為絕熱條件下的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，虛線為無冷卻條件下的仿真結(jié)果】

上圖顯示了使用仿真及實(shí)驗(yàn)方法得出的鋰離子電池溫升曲線。在隔絕熱量交換的條件下，當(dāng)電池以 1.0 C進(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)，電池溫升的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)剛好契合，完美地模擬了電池的產(chǎn)熱過程，為后續(xù)電池?zé)崾Э氐难芯康於ɑA(chǔ)。

自然對(duì)流條件下不同充放電倍率時(shí)電池溫升的對(duì)比

科研人員接著對(duì)自然對(duì)流條件下不同充放電倍率時(shí)電池的溫升進(jìn)行了研究，自然對(duì)流條件下不同充放電倍率時(shí)電池溫升的對(duì)比見上圖?？梢钥闯?，隨著電池充放電倍率的增加，電池的溫升明顯增大。這主要是因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱與焦耳熱呈正比，并與電流的平方呈正比。研究人員同時(shí)對(duì)充放電循環(huán)中產(chǎn)生熱量最高的階段進(jìn)行了分析。從溫度變化曲線可以看出，電池出現(xiàn)了兩個(gè)溫度峰：一個(gè)溫度峰對(duì)應(yīng)的是放電過程和充電過程之間的轉(zhuǎn)換階段，主要是因?yàn)榉烹婋A段產(chǎn)熱速率大于充電階段；另一個(gè)溫度峰對(duì)應(yīng)的是恒壓充電末期，由于負(fù)極嵌鋰接近飽和，內(nèi)阻增大，產(chǎn)熱更多。

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