鋰離子儲(chǔ)能電池放電熱行為仿真與實(shí)驗(yàn)研究

虞跨海，李長(zhǎng)浩，程永周(1.河南科技大學(xué)工程力學(xué)系，河南洛陽(yáng)47100；2.洛陽(yáng)光電技術(shù)發(fā)展中心，河南洛陽(yáng)471009；.中航鋰電(洛陽(yáng))有限公司，河南洛陽(yáng)471009)

鋰離子儲(chǔ)能電池放電熱行為仿真與實(shí)驗(yàn)研究

虞跨海1,2，李長(zhǎng)浩3，程永周3
(1.河南科技大學(xué)工程力學(xué)系，河南洛陽(yáng)471003；2.洛陽(yáng)光電技術(shù)發(fā)展中心，河南洛陽(yáng)471009；3.中航鋰電(洛陽(yáng))有限公司，河南洛陽(yáng)471009)

研究了單體鋰離子儲(chǔ)能電池三維電化學(xué)-熱耦合模型建模技術(shù)，開(kāi)展了不同放電條件下的電池溫升曲線數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)定電池各主要組成材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等熱物性參數(shù)，鋰電池電芯疊層簡(jiǎn)化為導(dǎo)熱系數(shù)各向異性整體結(jié)構(gòu)，建立包含電芯、外殼、正負(fù)極柱等主要部件的單體電池三維幾何模型；Bernardi模型描述鋰離子單體電池生熱率，考慮鋰電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)變化，生熱率作為源項(xiàng)加入計(jì)算模型，瞬態(tài)分析方法得到了放電歷程中鋰電池溫度場(chǎng)分布，并開(kāi)展了溫升曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)試。研究結(jié)果表明：鋰電池溫升呈現(xiàn)非線性特征，在放電末期溫升加速明顯；外殼材料對(duì)鋰電池散熱具有一定程度的影響；建立的熱模型能夠較準(zhǔn)確地描述鋰離子單體電池放電過(guò)程熱行為。

鋰離子電池；熱模型；生熱率；瞬態(tài)分析

鋰離子動(dòng)力電池具有工作電壓高、自放電少、功率密度和能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，特別是磷酸鐵鋰晶格穩(wěn)定，具有良好的化學(xué)反應(yīng)可逆性，磷酸鐵鋰電池1C充放電壽命可達(dá)2 000次以上，成為國(guó)家電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)等儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心產(chǎn)品。但溫度對(duì)鋰電池循環(huán)效率、容量、功率、壽命與可靠性等性能有極大影響，溫度過(guò)高可能會(huì)在超過(guò)電池組成材料熱穩(wěn)定態(tài)后引發(fā)一系列放熱副反應(yīng)，最終導(dǎo)致熱失控而引發(fā)電池?zé)刍蛉紵ǖ戎卮蟀踩鹿蔥1]。因此，開(kāi)展鋰離子電池的熱模型和熱行為研究，有助于電池模塊和熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[2]，對(duì)提高鋰

鋰離子電池核芯一般為方形疊層或圓柱卷繞形式，組成成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜使得鋰電池?zé)崮Ｐ徒＠щy，早期熱模型多為一維、二維模型[3-4]，近年來(lái)逐步提出了三維模型。Forgez[5]研究了圓柱形磷酸鐵鋰電池統(tǒng)一參數(shù)熱模型，考慮了內(nèi)阻等隨荷電狀態(tài)的變化，數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大相差不超過(guò)1.5℃；Salvio[6]建立了單體軟包聚合物鋰電池三維瞬態(tài)電化學(xué)-熱耦合分析模型，并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)測(cè)試；Jeon[7]建立了考慮焦耳熱和焓變熱的圓柱形鋰電池放電過(guò)程瞬態(tài)電化學(xué)-熱耦合模型，溫升曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。楊凱等[8]在生熱率精確測(cè)量基礎(chǔ)上分析了動(dòng)力電池溫度分布；張志杰等[9]基于內(nèi)阻變化規(guī)律實(shí)現(xiàn)了電池溫度分布仿真；朱聰?shù)萚10]、劉振軍等[11]開(kāi)展了電動(dòng)汽車(chē)鋰電池組溫度場(chǎng)的研究及優(yōu)化。而由于鋰電池形態(tài)、材料及結(jié)構(gòu)各異，不同型號(hào)電池的熱行為往往表現(xiàn)出個(gè)體特性[12-13]，因此，開(kāi)展單體儲(chǔ)能電池溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)對(duì)電池組熱分析及鋰電池?zé)峁芾砭哂兄匾墓こ桃饬x。

本文考慮了電池外殼以及電池核芯材料各向異性對(duì)傳熱的影響，實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了主要組成材料的熱物性參數(shù)，建立了鋰離子電池三維電化學(xué)-熱耦合模型，考慮電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)(SOC)的變化，實(shí)現(xiàn)了不同放電倍率下鋰電池?zé)嵝袨樗矐B(tài)數(shù)值仿真，并研究了殼體材料對(duì)鋰電池傳熱的影響。

1 鋰電池結(jié)構(gòu)與幾何建模

本文針對(duì)中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司60 Ah大容量鋰離子儲(chǔ)能電池放電過(guò)程熱模型開(kāi)展研究，電池外形尺寸為115 mm×41 mm×245 mm，如圖1所示，該電池由外殼、正負(fù)極柱(耳)、內(nèi)部核芯(電芯)、安全閥等部件組成，正負(fù)極柱附近存在空置區(qū)域，電芯高度約占鋰電池高度的86％。電芯部分為由正負(fù)極片、負(fù)極料層、正極料層和隔膜交疊組成的復(fù)雜片層結(jié)構(gòu)，正極料層厚度為90 μm，負(fù)極料層為75 μm，Al正極片厚度為20 μm，Cu負(fù)極片厚度為15 μm，隔膜厚度為32 μm。

圖1　鋰離子電池結(jié)構(gòu)

大容量鋰離子動(dòng)力電池內(nèi)部核芯往往由數(shù)十甚至上百組疊層結(jié)構(gòu)組成，并且其絕大部分浸漬于電解液中，直接建立幾何模型開(kāi)展數(shù)值仿真的計(jì)算量巨大。本文對(duì)電芯部分進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并且忽略極柱螺母、螺栓孔、安全閥等結(jié)構(gòu)，圖2所示為簡(jiǎn)化后的幾何模型，主要結(jié)構(gòu)包括鋰電池外殼、電芯、電池正負(fù)極柱(耳)等，其中電芯、電池正負(fù)極柱(耳)為熱源部分。計(jì)算時(shí)，鋰電池內(nèi)頂部區(qū)域認(rèn)為充滿(mǎn)氣體，存在內(nèi)流場(chǎng)。

圖2　CA60鋰電池簡(jiǎn)化幾何模型

2 電池?zé)嵛镄詤?shù)測(cè)定

電池的傳熱與溫升很大程度上由組成電池各部分材料的固有特性決定，材料熱物性參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量是建立精確熱模型的基礎(chǔ)，采用激光法測(cè)定了電池殼體、磷酸鐵鋰正極料、碳負(fù)極料等的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)；正負(fù)極片所用材料銅、鋁熱物性參數(shù)由查閱相關(guān)資料獲得，隔膜、電解液熱物性參數(shù)由廠家提供。

電芯部分比熱容通過(guò)對(duì)組成材料的熱容加權(quán)平均進(jìn)行估算：

式中：Cp為電芯的比熱容；m為電芯質(zhì)量；mi為每種材料質(zhì)量；Ci為每種材料比熱容，本文忽略由于電池電化學(xué)反應(yīng)引起的鋰電池?zé)崛萘孔兓＝囯姵責(zé)崮Ｐ偷年P(guān)鍵在于電芯結(jié)構(gòu)的等效建模，將電芯疊層整體等效，平均密度、平均比熱可直接加權(quán)計(jì)算得到；由于疊層結(jié)構(gòu)的特殊性，沿疊層平面與垂直于疊層方向?qū)嵯禂?shù)不同。電芯平均導(dǎo)熱系數(shù)采用串并聯(lián)方法計(jì)算[14]，如圖3所示沿疊層平面方向?qū)嵯禂?shù)為并聯(lián)形式。

圖3　　等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

沿垂直疊層方向?qū)嵯禂?shù)計(jì)算采用串聯(lián)形式，計(jì)算公式為：

式中：lx,y表示沿疊層平面兩個(gè)方向?qū)嵯禂?shù)；lz表示垂直于疊層方向?qū)嵯禂?shù)；li為組成電芯結(jié)構(gòu)各材料導(dǎo)熱系數(shù)。

表1所示為電池各主要部分熱物性參數(shù)，電芯導(dǎo)熱系數(shù)考慮各向異性，沿疊層方向較低，沿疊層平面兩個(gè)方向相同。

??/(J ? kg?? K?) ? ? 　? ? 　? ? / ( k g ? m?? ? ? ? / ( W ?m?? K?) ?? ? ???? ?????? ? ? ?? ?? ? ? 　? ? ? 　9 6 0 . 0 　1 6 3 7 . 0 　0 . 4 2 ? ? ? ? ? ? ? 2 2 1 7 . 0 　1 2 1 7 . 0 　1 . 5 8 ? ? ? 　? 　1 3 5 5 . 0 　1 4 3 7 . 5 　1 . 0 5 ? " 　# ? 　1 9 9 2 . 8 　1 3 6 3 . 9 　K = K = 2 6 . 1 0 , K = 1 .0 5 ? ? ? 　! 　9 2 4 . 0 　1 9 0 0 . 0 　0 . 6 3 ? ? 　P P 　1 0 0 8 . 9 　1 9 7 8 . 2 　0 . 4 2 ? ? 　$ ? ％ 　2 7 0 2 . 0 　9 0 3 . 1 　2 3 8 .0 0 ? ? ?。mp; ’ 　8 9 3 3 . 0 　3 8 5 . 0 　3 9 8 .0 0

3 鋰電池?zé)崮Ｐ徒?/h2>

本文中對(duì)鋰電池材料和電流特性作如下假設(shè)：組成鋰電池的各種材料介質(zhì)均勻，密度一致，同種材料比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)相同，并且不受溫度和SOC變化的影響；鋰電池放電過(guò)程中內(nèi)核區(qū)域各處電流密度均勻，生熱率一致。

3.1鋰電池?zé)嵘陕史匠?/p>

鋰電池生熱率主要取決于電池類(lèi)型、工作狀態(tài)(充電/放電)、SOC和環(huán)境溫度條件等，電池類(lèi)型和環(huán)境溫度影響電池材料的電阻特性，工作狀態(tài)、荷電狀態(tài)和環(huán)境溫度影響電池化學(xué)反應(yīng)放熱。

磷酸鐵鋰電池放電反應(yīng)方程為：

目前常用Bernardi生熱率模型描述單體鋰電池生熱率q(J·s－1·m－3)：

式中：I為單體電池充放電電流；U0為電池開(kāi)路電壓；U為電池工作電壓；T為電池平均溫度；鄣U0/鄣T為電壓溫度系數(shù)；I(U－U0)和IT(鄣U0/鄣T)分別表示焦耳熱、可逆反應(yīng)熱。

式(4)又可進(jìn)一步表達(dá)為：

式中：Rr為鋰電池內(nèi)阻，右端第一項(xiàng)為電池焦耳熱，可以根據(jù)電池內(nèi)阻及電流計(jì)算得到；第二項(xiàng)焓變熱即可逆反應(yīng)熱，電池的電壓隨溫度變化參數(shù)鄣U0/鄣T與電池荷電狀態(tài)相關(guān)，放電過(guò)程中可近似為常數(shù)[15]，取為0.048 mV·K－1；電流I放電時(shí)取負(fù)值，充電時(shí)取正值。

鋰電池內(nèi)阻與溫度、荷電狀態(tài)等相關(guān)，忽略溫度的影響，在工作狀態(tài)下測(cè)量得到不同荷電狀態(tài)下的電池內(nèi)阻值，通過(guò)四階樣條擬合得到連續(xù)分布曲線，如圖4所示。由圖4可知，鋰電池在充滿(mǎn)狀態(tài)下隨著放電的持續(xù)，內(nèi)阻先逐步減小，之后逐步增大，當(dāng)放電到20％荷電狀態(tài)后電池內(nèi)阻急劇增大。

圖4　鋰電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)變化曲線

3.2電池?zé)崮Ｐ头匠?/p>

鋰電池內(nèi)部生熱率決定于工作電流、內(nèi)阻和SOC等因素。忽略輻射效應(yīng)，自然對(duì)流條件下，鋰離子電池?zé)崮苁睾惴匠炭擅枋鰹閇16]：

式中：等式左側(cè)表示單位時(shí)間內(nèi)鋰電池各部分熱能增量之和；等式右側(cè)第一項(xiàng)表示鋰電池放電過(guò)程中產(chǎn)生的焦耳熱，第二項(xiàng)表示焓變引起的熱即化學(xué)反應(yīng)熱，充電過(guò)程吸熱，放電過(guò)程放熱，第三項(xiàng)表示通過(guò)電池表面與外界環(huán)境的對(duì)流換熱而使鋰電池在單位時(shí)間內(nèi)增加的熱能；ρi為鋰電池各組成部分密度；Cpi為鋰電池各部分比熱容。

對(duì)于鋰電池任意微元體，其非穩(wěn)態(tài)熱平衡計(jì)算方程為：

式中：ρc、Cc和lc分別為電池微元體密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；等式左側(cè)表示單位時(shí)間內(nèi)微元體的熱能增量，右端第一項(xiàng)表示通過(guò)界面熱傳導(dǎo)而使微元體在單位時(shí)間內(nèi)增加的熱能，右端第二項(xiàng)表示微元體生熱率，且有：

電芯、正負(fù)極耳、電解液等與外界對(duì)流換熱為零；對(duì)于非熱源部分，如外殼、電解液等，焦耳熱和化學(xué)反應(yīng)熱項(xiàng)為零。

方形鋰電池溫度場(chǎng)計(jì)算適用于直角坐標(biāo)形式，因此，式(6)又可表示為：

3.3熱模型定解條件

鋰電池?zé)崮Ｐ统跏紩r(shí)刻溫度條件為：

式中：T0為環(huán)境溫度。

電池表面換熱邊界條件描述為：

式中：k為表面對(duì)流換熱系數(shù)；T為鋰電池表面溫度。

4 鋰電池?zé)嵝袨榉抡娣治?/h2>

建立鋰電池?zé)嵝袨閿?shù)值仿真模型，網(wǎng)格單元總量約50萬(wàn)，忽略接觸熱阻，電池各部分界面間溫度耦合，熱源為電芯、正負(fù)極柱三個(gè)部分，考慮鋰電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)的變化，在計(jì)算方程中加入源項(xiàng)。在1C、2C、5C放電倍率下，電芯熱量由式(5)計(jì)算得到，正負(fù)極柱發(fā)熱量和生熱率計(jì)算忽略溫度對(duì)電阻率的影響，表2所示為初始條件（荷電狀態(tài)為100％）下電池各部分的發(fā)熱量和生熱率。

?? ?? ?/W ?? ??/A ?? ???/ (W?m ?? ?/W ???/ (W?m) ???????????????????????? ??? 　???60 　6.48 　9 376.8 　0.112 　8 101 　0.18 　12 961 300 　162.00 　46 884.0 　0.560 　40 505 　0.72 　64 805 120 　25.92 　18 753.6 　0.224 　16 202 　0.36 　25 922 ???/ (W?m) ?? ?/W

電池初始溫度為28℃，環(huán)境溫度為26℃，考慮重力影響，瞬態(tài)分析方法獲得鋰電池在放電周期內(nèi)溫度隨時(shí)間變化情況，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.02 s，總計(jì)算時(shí)間為3 600 s，離散項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，計(jì)算殘差收斂精度10－6。

圖5　1C放電不同時(shí)刻電池表面溫度

圖5所示為電池在1C放電900、1 800、2 700和3 600 s時(shí)的表面溫度分布，由圖5可知電池頂部區(qū)域溫度較低，這是由于該鋰電池頂部區(qū)域未充滿(mǎn)電芯結(jié)構(gòu)；正極柱溫升較大，負(fù)極柱溫升較小，最高溫度出現(xiàn)在電池中部，鋰電池四周表面出現(xiàn)不同程度的熱累積效應(yīng)；鋰電池外表面溫度自2 700 s后溫升顯著加速，其原因在于隨著鋰電池SOC的降低，內(nèi)阻快速增大引起生熱率增大。

本文開(kāi)展了鋰電池1C、2C、5C放電過(guò)程溫升曲線測(cè)試，電池在28℃環(huán)境箱內(nèi)靜置2 h以獲得恒定初始溫度。如圖6所示，單體鋰電池連接充放電循環(huán)測(cè)試機(jī)控制放電電流，在電池頂部等設(shè)置溫度傳感器實(shí)時(shí)記錄溫度數(shù)據(jù)。圖7所示為鋰電池中部位置1C放電溫升實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值仿真曲線對(duì)比及誤差分析，電池放電3 600 s后實(shí)驗(yàn)測(cè)得電池最高溫度為32.5℃，數(shù)值仿真結(jié)果為32.6℃；1C放電時(shí)鋰電池?zé)崮Ｐ头抡鏈厣€與實(shí)驗(yàn)曲線相比，最大溫差不超過(guò)0.4℃，具有較高的一致性。如圖8所示，隨著放電倍率增大，鋰電池溫升速率顯著提高，5C放電結(jié)束時(shí)鋰電池溫度最高可達(dá)50℃左右，熱模型仿真溫升曲線最大誤差不超過(guò)1.2℃。由實(shí)驗(yàn)測(cè)試與仿真曲線分析可得，電池在放電初期和末期溫升明顯，這是由于這兩個(gè)階段電池內(nèi)阻相對(duì)較高，特別是放電末期內(nèi)阻快速增大，導(dǎo)致電池內(nèi)部各部分生熱率相應(yīng)快速增大。

圖6　鋰電池溫升曲線測(cè)試示意圖

圖7　1C放電鋰電池溫升曲線對(duì)比

在相同幾何模型和工況下，本文開(kāi)展了鋰電池外殼為不銹鋼時(shí)1C放電過(guò)程熱行為數(shù)值仿真，不銹鋼材料密度為7 800 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為 16.8 W·m－1·K－1，比熱為478 J·kg－1·K－1。圖9所示為1C放電過(guò)程中聚合物外殼與不銹鋼外殼溫升曲線對(duì)比，不銹鋼外殼溫度明顯較低，最大溫差降幅可達(dá)到1.3℃，不銹鋼外殼在放電結(jié)束時(shí)最高溫度為31.3℃；不銹鋼外殼鋰電池表面溫度分布較聚合物外殼電池更加均勻，表面最大溫差約為4℃。

圖8　鋰電池2C和5C放電溫升曲線

圖9　不同外殼材料溫升曲線

5 結(jié)論

本文在實(shí)驗(yàn)測(cè)量電池各主要組成材料熱物性參數(shù)和電芯幾何簡(jiǎn)化建模的基礎(chǔ)上，采用Bernardi模型描述生熱率，考慮鋰電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)的變化，建立了鋰離子單體電池電化學(xué)-熱耦合模型，用瞬態(tài)分析方法開(kāi)展了不同放電倍率下的鋰電池放電過(guò)程熱行為仿真與實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)基于各組成材料熱物性參數(shù)精確測(cè)量，考慮電芯導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性、電池內(nèi)阻隨荷電狀態(tài)的變化和電池外殼的影響，所建立的熱模型能夠較準(zhǔn)確描述鋰電池的熱行為。

(2)放電倍率越大，鋰電池溫升速率越高；在放電末期鋰電池內(nèi)阻升高加劇，造成電池溫升加速。

(3)鋰離子電池外殼材料不同對(duì)其傳熱有一定影響，不銹鋼外殼散熱性能較好，整體溫差較小。

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Simulation and experiment study of thermal behavior for lithium ion battery during discharge cycle

YU Kua-hai1,2,LI Chang-hao3,CHENG Yong-zhou3
(1.Department of Engineering Mechanics,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan 471003,China; 2.Luoyang Opt-Electro Development Center,Luoyang Henan 471009,China; 3.China Aviation Lithium-ion Battery CO.,LTD.,Luoyang Henan 471009,China)

The electrochemical-thermal modeling method of lithium-ion battery was presented,and its thermal behavior by simulation and measurement during different discharges were developed.Heat transfer and heat capacity of the main materials were measured.The electric core of battery which was laminated,and was integrated as a thermal conductivity anisotropic material.Finally,an electric core,can,positive and negative pole,etc were contained in the geometrical analysis model.Bernardi's model was introduced to describe the battery heat generation,considering the resistance varies with stage of charge.Conservation of energy considering heat generation rate was solved as a source by the mathematical model.Transient model was developed to obtain the temperature distribution of battery during discharges.Result shows that temperature rising curve of the battery is nonlinear,and the rising accelerated obviously at the end of discharge.The battery thermal behavior in a certain degree was influenced by different material of battery shell.It also indicated that the electrochemical-thermal model was accurately enough to predict battery thermal behavior,through comparison with the simulation and experiment result.

lithium-ion battery;thermal modeling;heat generate rate;transient model

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0063-04

2015-06-05

虞跨海(1982—)，男，浙江省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算流體力學(xué)與傳熱、鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾?。電池使用的?jīng)濟(jì)性和安全性具有重要意義。