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2021-08-23 09:08:49李生紅熊震秦國(guó)鋒糜沛紋勞晶晶
時(shí)代汽車 2021年16期 關(guān)鍵詞：鋰離子電池
李生紅 熊震 秦國(guó)鋒 糜沛紋 勞晶晶
摘 要：鋰離子電池的熱安全性對(duì)于衡量電動(dòng)汽車性能指標(biāo)具有重要作用，建立電池的熱效應(yīng)模型能夠有效設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，改善電池散熱效果，從而提高熱安全性。本文對(duì)按照建模維數(shù)劃分模型研究，包括集中質(zhì)量模型、一維模型、二維模型、三維模型;對(duì)按照建模原理劃分模型研究，包括電化學(xué)-熱耦合模型、電-熱耦合模型、熱濫用模型，并對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱模型的研究發(fā)展進(jìn)行展望。
關(guān)鍵詞：鋰離子電池 熱模型 耦合模型 熱濫用
Overview of Research on Thermal Model of Lithium-Ion Battery
Li Shenghong Xiong Zhen Qin Guofeng Mi Peiwen Lao Jingjing
Abstract：The thermal safety of lithium-ion batteries plays an important role for vehicles performance， and the establishment of the heating effect of the battery model can effectively design the battery thermal management system， improve the battery cooling effect， and thus improve the thermal security. In this paper， according to the modeling of dimension classification of model studies， the paper classifies model studies into lumped mass models of one dimensional model， of two-dimensional model， and three-dimensional model; according to the modeling principle， the paper divides the models into electrochemical-thermal coupling models， electrothermal coupling models， thermal abuse models， and the research and development of thermal models at home and abroad are put forward.
Key words：lithium-ion， battery thermal model， coupled model， thermal abuse
1 引言
鋰離子電池是一種擁有比其他類型電池更高的能量密度、電壓、功率密度、更多循環(huán)充放電次數(shù)等優(yōu)點(diǎn)的二次電池。隨著新能源汽車在我國(guó)市場(chǎng)的不斷開(kāi)拓，鋰離子電池作為其核心部件之一，其熱安全性是衡量電動(dòng)汽車的重要因素之一。在2013-2014年，特斯拉工廠出現(xiàn)鋰離子電池發(fā)生自燃現(xiàn)象，前后導(dǎo)致了共5次起火事故。而引發(fā)這場(chǎng)事故在于對(duì)電池溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控不當(dāng)而導(dǎo)致的。溫度對(duì)電池的影響不僅僅包括循環(huán)充放電的效率、容量大小、功率大小、可靠性、壽命長(zhǎng)短、熱安全性高低、工作狀況，而且還會(huì)進(jìn)一步影響電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中的可靠性及安全性[1]。將鋰離子的工作溫度控制在一定的范圍內(nèi)能夠有效避免電池自燃、爆炸等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。鋰離子電池?zé)崮Ｐ偷慕⒛軌蛴行?duì)電池在不同工作狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測(cè)，是模擬電池溫度場(chǎng)的重要工具。本文將詳細(xì)介紹按照建模維數(shù)和建模原理劃分電池?zé)崮Ｐ头绞?，并?duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱模型的研究發(fā)展進(jìn)行展望。
2 充放電的生熱機(jī)理
電池工作原理作為研究鋰離子動(dòng)力電池生熱機(jī)理的前提與基礎(chǔ)，原理是：鋰離子與等量電子之間的相互嵌入和脫出稱為電池的充放電過(guò)程。充電時(shí)，鋰離子由正極經(jīng)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，嵌入負(fù)極小孔處，當(dāng)數(shù)量增多時(shí)，則表明電池的充電容量越大。同理可知：電池放電時(shí)，經(jīng)電解液從負(fù)極返回到正極的鋰離子數(shù)量增多時(shí)，則表明電池的放電容量越大[2]。因此，鋰離子在正負(fù)極之間的循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的充放電。
鋰離子電池在充放電時(shí)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下，M為金屬元素：
正極：
負(fù)極：
總反應(yīng)：
研究了鋰電池的工作原理后，能夠得出鋰電池的生熱機(jī)理為：電池內(nèi)部材料發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱及克服一定的粒子循環(huán)運(yùn)動(dòng)所受阻力產(chǎn)生的熱量。同時(shí)，鋰電池的生熱機(jī)理會(huì)因?yàn)椴煌氖褂们闆r而產(chǎn)生不同的熱安全隱患[3]。當(dāng)電池在自身溫度高達(dá)100℃時(shí)，SEI膜分解引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)，電池會(huì)自燃甚至爆炸;當(dāng)過(guò)度充電時(shí)，會(huì)擾亂了電池內(nèi)部本身有序的化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，使得電池產(chǎn)生了多余的氣體和大量的熱;當(dāng)在短路甚至撞擊等極端條件下，瞬間通過(guò)電池內(nèi)部的過(guò)大電流也將產(chǎn)生大量的熱，從而引發(fā)電池局部溫度過(guò)高而破壞電極的正常熱反應(yīng)的進(jìn)行。
3 單體電池?zé)崮Ｐ头诸?/p>
建立鋰電池的熱模型不僅是鋰電池產(chǎn)熱研究的基礎(chǔ)，而且還能在電池的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用[4]。因此，想要了解鋰電池的熱行為過(guò)程，要求研究人員在探索鋰電池?zé)嵝袨榈倪^(guò)程中建立正確的熱模型。
3.1 按建模維度劃分
3.1.1 集中質(zhì)量模型
集中質(zhì)量模型是一種將電池視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，創(chuàng)建起的簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型。該模型不僅計(jì)算方便，還可對(duì)電池的整體性能及相關(guān)影響因素進(jìn)行研究。
BOTTE[5]等人在1998年建立了集中質(zhì)量模型，利用不同大小的負(fù)極粒徑來(lái)研究傳熱系數(shù)、電流密度、環(huán)境溫度、正負(fù)極材料屬性及密度在不同SOC下對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響。
FORGEZ[6]等人在2010年對(duì)圓柱形LiFePO4/石墨鋰離子電池建立了集中質(zhì)量模型，實(shí)驗(yàn)誤差在1.5℃，表明了該模型在測(cè)量表面溫度和內(nèi)部溫度的準(zhǔn)確性。此外，該模型能夠模擬所測(cè)量的電池的電流和電壓。該模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠運(yùn)用到電動(dòng)汽車電池的熱管理系統(tǒng)中去。
集中質(zhì)量模型雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)答和計(jì)算簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，卻僅限于對(duì)小型電池的研究，這限制了研究者對(duì)電池更深一步的研究。
3.1.2 一維模型
一維模型的建立是將電池沿一個(gè)方向進(jìn)行投影，其中大部分是沿厚度方向。
HAllAJ[7]等人在2002年使用了一維模型模擬了電池內(nèi)部在充放電時(shí)的溫度場(chǎng)。該模型基于索尼US18650電池的產(chǎn)熱參數(shù)，模擬結(jié)果與大部分的放電速率相吻合。該模型適用于模擬在操作條件及冷卻速率不同時(shí)，10Ah和100Ah電池的溫度分布情況。
FANG[8]等人在2010年對(duì)電池建立一維熱模型，用以預(yù)測(cè)在不同溫度下電池及其電極的性能。為檢測(cè)模型預(yù)測(cè)效果的有效性，將單個(gè)電極和3電極的電位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果較為吻合。單電極的預(yù)測(cè)能力在電極退化及電池在極度低溫下的性能等方面具有重要作用。
虢放[9]等人在2017年使用一維電化學(xué)模型，研究電極的不同厚度對(duì)電池在電化學(xué)性能方面的影響，其中包括循環(huán)充電和放電性能、倍率性能、電池容量。仿比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真曲線可知，厚度不同的電極在倍率性能及容量衰變方面存在差異性。
一維模型僅僅研究電池在某設(shè)定電流下某一方向的產(chǎn)熱，最終只能反映該方向上的溫度分布情況，和實(shí)際電池的溫度分布仍具有一定的差距。
3.1.3 二維模型
二維模型相比一維模型，是對(duì)電池某個(gè)截面上的溫度分布規(guī)律進(jìn)行研究。
2016年，仇磊[10]為研究影響單體電池和電池組溫度分布的因素，提高電池的熱安全性，對(duì)電池的單層電極創(chuàng)建了二維模型，并計(jì)算其在工作時(shí)的電場(chǎng)分布規(guī)律。同時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)建立起電池的產(chǎn)熱模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真的方式驗(yàn)證了模型具有可靠性。
2018年，彭敏[11]等人為探究層疊式鋰電池的溫度具有隨時(shí)間和空間位置不同而發(fā)生變化的特點(diǎn)，建立了電池的二維熱模型來(lái)分析溫度產(chǎn)生變化的原因。仿真分析表明，模型在合理的參數(shù)條件下，能夠有效描述電池溫度分布的特點(diǎn)。
二維模型通常用于分析電池某截面的溫度分布情況，研究在不同的冷卻方式下，電池內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。但熱模型的建立還會(huì)受電池質(zhì)量、尺寸、外形參數(shù)、邊界條件等因素的影響，因此，需要建立更多維數(shù)的模型對(duì)電池溫度分布進(jìn)行準(zhǔn)確描述。
3.1.4 三維模型
三維模型的建立解決了二維模型只能對(duì)某一截面進(jìn)行研究的單一性。其具有能夠建立和實(shí)際電池模型相同的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，因此，對(duì)大型電池的設(shè)計(jì)具有重要作用。同時(shí)，該模型能夠設(shè)置與修改電解液濃度大小、組成成分、電極厚度等實(shí)際參數(shù)，使得模擬仿真得到的電池性能更好，有助于進(jìn)一步改進(jìn)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管理方式、運(yùn)行策略。
2005年，Chen[12]等人創(chuàng)建了一個(gè)詳細(xì)的三維模型來(lái)研究電池的熱行為。該模型不僅考慮了電池組不同的分層結(jié)構(gòu)及情況還考慮了兩者之間存在的間隙。該模型的簡(jiǎn)化的誤差不大于0.54K，不僅描述在非對(duì)稱情況下電池內(nèi)部的溫度分布情況，而且也能預(yù)測(cè)電池表面在使用了金屬外殼時(shí)的異常溫度。
2016年，李彩紅[13]等人建立了鋰電池的三維生熱模型，研究磷酸鐵鋰電池在不同倍率下的溫度場(chǎng)。研究表明，隨著倍率的增大，組成模組的單體間的溫差也隨之增大，破壞了電池的熱安全性。
3.2 按建模原理劃分
3.2.1 電化學(xué)-熱耦合模型
電化學(xué)-熱耦合模型是一種從電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量的角度來(lái)描述電池在正常工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量的模型。當(dāng)建立該模型時(shí)，首先需要了解電池集流體周圍的固、液相內(nèi)的離子濃度及其遷移速度等情況[14]。該模型最早是由John[15]等提出，為研究電池電化學(xué)模型奠定了重要基礎(chǔ)。
GHALKHANI[16]等人在2017年為研究電池的溫度分布規(guī)律及電流密度分布，創(chuàng)建了袋式鋰離子電池的三維層電化學(xué)-熱耦合模型。利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該模型，得到的溫度場(chǎng)表明了，電池的正極片熱量積累較多的原因是：存在局部?jī)?nèi)阻及電池內(nèi)部的電流分布不均勻。
張志超[17]等人在2019年創(chuàng)建了一種三維電化學(xué)-熱耦合模型，研究電池內(nèi)部的熱特性分布情況及電化學(xué)反應(yīng)行為。仿真結(jié)果表明，放電前，離極耳區(qū)域越近，溫升速率越快，越遠(yuǎn)則越慢;放電時(shí)，電流密度在電池的正極極耳處最大，同時(shí)溫度也是最高的;當(dāng)放電深入時(shí)，離極耳距離越遠(yuǎn)，反而溫升速率更大。
2020年，劉巧云[18]等人以26650 型磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，建立了電化學(xué)-熱耦合模型，模擬了電池在不同倍率下的溫度、散熱率及產(chǎn)熱率的熱行為。
3.2.2 電-熱耦合模型
電-熱耦合模型對(duì)指導(dǎo)依據(jù)電池單體的電壓、電流分布規(guī)律來(lái)研究電池的溫度場(chǎng)，具有重要意義。這種模型不僅能夠優(yōu)化電池極耳、外型、集流體等方面的設(shè)計(jì)，而且有助于進(jìn)一步分析電池的一致性問(wèn)題。
GOUTAM[19]等人在2017年對(duì)20Ah鎳錳鈷氧化袋型鋰離子電池建立了二維電勢(shì)分布與三維溫度分布的電-熱耦合模型。該模型不僅能夠?qū)μ幱诤懔骱蛣?dòng)流狀態(tài)下的電池溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)而且能夠適用于研究大型電池組的熱行為，這在之前的研究中尚未深入探索。
2018年，宋文吉[20]等人建立了一種具有分層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的的電-熱耦合模型 ，研究電池容量變化對(duì)極耳處溫度分布的影響。研究表明：僅僅通過(guò)層疊方式使得電池容量增加會(huì)加大對(duì)熱管理的控制難度，因此，單獨(dú)對(duì)極耳進(jìn)行強(qiáng)化換熱和改變極耳的位置均可達(dá)到降低最高溫度的效果。
2020年，郭健忠[21]等人通過(guò)仿真分析和風(fēng)冷系統(tǒng)散熱的實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了建立的電-熱耦合模型的準(zhǔn)確性。風(fēng)冷系統(tǒng)散熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池組整體的溫差不大于5℃，在其正常工作的溫度區(qū)間。
3.2.3 熱濫用模型
電池在正常工作狀態(tài)下通常是建立電化學(xué)-熱耦合模型或者電-熱耦合模型，但往往外界環(huán)境情況非常復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，例如電池起火、發(fā)生爆炸等，電池的熱安全性成為電池汽車的一個(gè)必要衡量要素。因此，熱濫用模型的建立非常有必要。該模型模擬處于某些極端情況下的電池，基于傳統(tǒng)產(chǎn)熱模型，綜合分析極端條件對(duì)電池內(nèi)部產(chǎn)熱異常的影響。
Feng[22]等人在2016年，在能量守恒理論基礎(chǔ)上對(duì)大型的鋰離子電池建立了三維的熱失控模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證了模型的可靠性，這為研究隧道的傳播機(jī)理和更好的設(shè)計(jì)熱失控傳播提供有利的保障。
張培紅[23]等人在2020年，對(duì)處于高溫高濕度環(huán)境中的三元鋰離子電池建立了熱濫用模型。實(shí)驗(yàn)以恒定功率的電熱爐作為外部施加熱源，在660s后切斷熱源，同時(shí)，用 COMSOL仿真軟件對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬。研究結(jié)果表明，當(dāng)相對(duì)濕度為50%時(shí)，初始的環(huán)境溫度由20℃增大到40℃，熱失控到來(lái)的時(shí)間會(huì)提起20.2%;當(dāng)相對(duì)濕度在30℃由50%增大到100%時(shí)，電池的最高溫度會(huì)增大37.2%。因此，在高溫和高濕環(huán)境下，電池?zé)崾Э囟鴮?dǎo)致的熱安全性行為的可能性會(huì)顯著提高。
4 結(jié)論
綜上所述，從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)，電池的熱模型受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。鋰離子電池?zé)崮Ｐ偷陌l(fā)展經(jīng)歷了，由最早提出的將電池視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)集中質(zhì)量模型到對(duì)電池建立起復(fù)雜的三維熱模型，從基于能量守恒的電化學(xué)-熱耦合模型到預(yù)測(cè)電池?zé)崾Э匦袨榈臒釣E用模型。鋰離子熱模型的建立不僅能夠指導(dǎo)電池單體和電池組的設(shè)計(jì)，而且還能為熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化提供有效的模型驗(yàn)證。
針對(duì)鋰離子熱模型未來(lái)的發(fā)展，筆者認(rèn)為有以下幾個(gè)發(fā)展方向：
（1）三維分層耦合模型的建立。大部分對(duì)耦合熱模型的研究都傾向于二維模型和三維不分層模型，但實(shí)際的電池模型是三維分層結(jié)構(gòu)，因此，需要建立一種三維分層的耦合模型，以此來(lái)提高準(zhǔn)確對(duì)電池?zé)嵝?yīng)進(jìn)行模擬。
（2）模擬真實(shí)工況的必要性。實(shí)際電池的運(yùn)行環(huán)境并非恒流，情況要復(fù)雜得多。因此，為了讓模擬的溫度場(chǎng)更接近與電動(dòng)汽車在真實(shí)環(huán)境下的情況，應(yīng)當(dāng)研究在變電流或者電流密度不均勻分布下的產(chǎn)熱情況和溫度場(chǎng)分布情況。
（3）以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)驗(yàn)證仿真模型的正確性。電池的熱模型作為一種基于能量守恒等理論概念搭建起來(lái)的一種假想模型，需要基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證之后，才能保證該模型能夠準(zhǔn)確描述電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布情況。
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李生紅 熊震 秦國(guó)鋒 糜沛紋 勞晶晶
摘 要：鋰離子電池的熱安全性對(duì)于衡量電動(dòng)汽車性能指標(biāo)具有重要作用，建立電池的熱效應(yīng)模型能夠有效設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，改善電池散熱效果，從而提高熱安全性。本文對(duì)按照建模維數(shù)劃分模型研究，包括集中質(zhì)量模型、一維模型、二維模型、三維模型;對(duì)按照建模原理劃分模型研究，包括電化學(xué)-熱耦合模型、電-熱耦合模型、熱濫用模型，并對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱模型的研究發(fā)展進(jìn)行展望。
關(guān)鍵詞：鋰離子電池 熱模型 耦合模型 熱濫用
Overview of Research on Thermal Model of Lithium-Ion Battery
Li Shenghong Xiong Zhen Qin Guofeng Mi Peiwen Lao Jingjing
Abstract：The thermal safety of lithium-ion batteries plays an important role for vehicles performance， and the establishment of the heating effect of the battery model can effectively design the battery thermal management system， improve the battery cooling effect， and thus improve the thermal security. In this paper， according to the modeling of dimension classification of model studies， the paper classifies model studies into lumped mass models of one dimensional model， of two-dimensional model， and three-dimensional model; according to the modeling principle， the paper divides the models into electrochemical-thermal coupling models， electrothermal coupling models， thermal abuse models， and the research and development of thermal models at home and abroad are put forward.
Key words：lithium-ion， battery thermal model， coupled model， thermal abuse
1 引言
鋰離子電池是一種擁有比其他類型電池更高的能量密度、電壓、功率密度、更多循環(huán)充放電次數(shù)等優(yōu)點(diǎn)的二次電池。隨著新能源汽車在我國(guó)市場(chǎng)的不斷開(kāi)拓，鋰離子電池作為其核心部件之一，其熱安全性是衡量電動(dòng)汽車的重要因素之一。在2013-2014年，特斯拉工廠出現(xiàn)鋰離子電池發(fā)生自燃現(xiàn)象，前后導(dǎo)致了共5次起火事故。而引發(fā)這場(chǎng)事故在于對(duì)電池溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控不當(dāng)而導(dǎo)致的。溫度對(duì)電池的影響不僅僅包括循環(huán)充放電的效率、容量大小、功率大小、可靠性、壽命長(zhǎng)短、熱安全性高低、工作狀況，而且還會(huì)進(jìn)一步影響電動(dòng)汽車在行駛過(guò)程中的可靠性及安全性[1]。將鋰離子的工作溫度控制在一定的范圍內(nèi)能夠有效避免電池自燃、爆炸等危險(xiǎn)情況的發(fā)生。鋰離子電池?zé)崮Ｐ偷慕⒛軌蛴行?duì)電池在不同工作狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測(cè)，是模擬電池溫度場(chǎng)的重要工具。本文將詳細(xì)介紹按照建模維數(shù)和建模原理劃分電池?zé)崮Ｐ头绞?，并?duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于熱模型的研究發(fā)展進(jìn)行展望。
2 充放電的生熱機(jī)理
電池工作原理作為研究鋰離子動(dòng)力電池生熱機(jī)理的前提與基礎(chǔ)，原理是：鋰離子與等量電子之間的相互嵌入和脫出稱為電池的充放電過(guò)程。充電時(shí)，鋰離子由正極經(jīng)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極，嵌入負(fù)極小孔處，當(dāng)數(shù)量增多時(shí)，則表明電池的充電容量越大。同理可知：電池放電時(shí)，經(jīng)電解液從負(fù)極返回到正極的鋰離子數(shù)量增多時(shí)，則表明電池的放電容量越大[2]。因此，鋰離子在正負(fù)極之間的循環(huán)流動(dòng)實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的充放電。
鋰離子電池在充放電時(shí)的化學(xué)反應(yīng)方程式如下，M為金屬元素：
正極：
負(fù)極：
總反應(yīng)：
研究了鋰電池的工作原理后，能夠得出鋰電池的生熱機(jī)理為：電池內(nèi)部材料發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱及克服一定的粒子循環(huán)運(yùn)動(dòng)所受阻力產(chǎn)生的熱量。同時(shí)，鋰電池的生熱機(jī)理會(huì)因?yàn)椴煌氖褂们闆r而產(chǎn)生不同的熱安全隱患[3]。當(dāng)電池在自身溫度高達(dá)100℃時(shí)，SEI膜分解引發(fā)一系列的化學(xué)反應(yīng)，電池會(huì)自燃甚至爆炸;當(dāng)過(guò)度充電時(shí)，會(huì)擾亂了電池內(nèi)部本身有序的化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，使得電池產(chǎn)生了多余的氣體和大量的熱;當(dāng)在短路甚至撞擊等極端條件下，瞬間通過(guò)電池內(nèi)部的過(guò)大電流也將產(chǎn)生大量的熱，從而引發(fā)電池局部溫度過(guò)高而破壞電極的正常熱反應(yīng)的進(jìn)行。
3 單體電池?zé)崮Ｐ头诸?/p>
建立鋰電池的熱模型不僅是鋰電池產(chǎn)熱研究的基礎(chǔ)，而且還能在電池的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用[4]。因此，想要了解鋰電池的熱行為過(guò)程，要求研究人員在探索鋰電池?zé)嵝袨榈倪^(guò)程中建立正確的熱模型。
3.1 按建模維度劃分
3.1.1 集中質(zhì)量模型
集中質(zhì)量模型是一種將電池視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，創(chuàng)建起的簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型。該模型不僅計(jì)算方便，還可對(duì)電池的整體性能及相關(guān)影響因素進(jìn)行研究。
BOTTE[5]等人在1998年建立了集中質(zhì)量模型，利用不同大小的負(fù)極粒徑來(lái)研究傳熱系數(shù)、電流密度、環(huán)境溫度、正負(fù)極材料屬性及密度在不同SOC下對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響。
FORGEZ[6]等人在2010年對(duì)圓柱形LiFePO4/石墨鋰離子電池建立了集中質(zhì)量模型，實(shí)驗(yàn)誤差在1.5℃，表明了該模型在測(cè)量表面溫度和內(nèi)部溫度的準(zhǔn)確性。此外，該模型能夠模擬所測(cè)量的電池的電流和電壓。該模型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠運(yùn)用到電動(dòng)汽車電池的熱管理系統(tǒng)中去。
集中質(zhì)量模型雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)答和計(jì)算簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，卻僅限于對(duì)小型電池的研究，這限制了研究者對(duì)電池更深一步的研究。
3.1.2 一維模型
一維模型的建立是將電池沿一個(gè)方向進(jìn)行投影，其中大部分是沿厚度方向。
HAllAJ[7]等人在2002年使用了一維模型模擬了電池內(nèi)部在充放電時(shí)的溫度場(chǎng)。該模型基于索尼US18650電池的產(chǎn)熱參數(shù)，模擬結(jié)果與大部分的放電速率相吻合。該模型適用于模擬在操作條件及冷卻速率不同時(shí)，10Ah和100Ah電池的溫度分布情況。
FANG[8]等人在2010年對(duì)電池建立一維熱模型，用以預(yù)測(cè)在不同溫度下電池及其電極的性能。為檢測(cè)模型預(yù)測(cè)效果的有效性，將單個(gè)電極和3電極的電位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果較為吻合。單電極的預(yù)測(cè)能力在電極退化及電池在極度低溫下的性能等方面具有重要作用。
虢放[9]等人在2017年使用一維電化學(xué)模型，研究電極的不同厚度對(duì)電池在電化學(xué)性能方面的影響，其中包括循環(huán)充電和放電性能、倍率性能、電池容量。仿比對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真曲線可知，厚度不同的電極在倍率性能及容量衰變方面存在差異性。
一維模型僅僅研究電池在某設(shè)定電流下某一方向的產(chǎn)熱，最終只能反映該方向上的溫度分布情況，和實(shí)際電池的溫度分布仍具有一定的差距。
3.1.3 二維模型
二維模型相比一維模型，是對(duì)電池某個(gè)截面上的溫度分布規(guī)律進(jìn)行研究。
2016年，仇磊[10]為研究影響單體電池和電池組溫度分布的因素，提高電池的熱安全性，對(duì)電池的單層電極創(chuàng)建了二維模型，并計(jì)算其在工作時(shí)的電場(chǎng)分布規(guī)律。同時(shí)，利用實(shí)驗(yàn)建立起電池的產(chǎn)熱模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真的方式驗(yàn)證了模型具有可靠性。
2018年，彭敏[11]等人為探究層疊式鋰電池的溫度具有隨時(shí)間和空間位置不同而發(fā)生變化的特點(diǎn)，建立了電池的二維熱模型來(lái)分析溫度產(chǎn)生變化的原因。仿真分析表明，模型在合理的參數(shù)條件下，能夠有效描述電池溫度分布的特點(diǎn)。
二維模型通常用于分析電池某截面的溫度分布情況，研究在不同的冷卻方式下，電池內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布規(guī)律。但熱模型的建立還會(huì)受電池質(zhì)量、尺寸、外形參數(shù)、邊界條件等因素的影響，因此，需要建立更多維數(shù)的模型對(duì)電池溫度分布進(jìn)行準(zhǔn)確描述。
3.1.4 三維模型
三維模型的建立解決了二維模型只能對(duì)某一截面進(jìn)行研究的單一性。其具有能夠建立和實(shí)際電池模型相同的結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，因此，對(duì)大型電池的設(shè)計(jì)具有重要作用。同時(shí)，該模型能夠設(shè)置與修改電解液濃度大小、組成成分、電極厚度等實(shí)際參數(shù)，使得模擬仿真得到的電池性能更好，有助于進(jìn)一步改進(jìn)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管理方式、運(yùn)行策略。
2005年，Chen[12]等人創(chuàng)建了一個(gè)詳細(xì)的三維模型來(lái)研究電池的熱行為。該模型不僅考慮了電池組不同的分層結(jié)構(gòu)及情況還考慮了兩者之間存在的間隙。該模型的簡(jiǎn)化的誤差不大于0.54K，不僅描述在非對(duì)稱情況下電池內(nèi)部的溫度分布情況，而且也能預(yù)測(cè)電池表面在使用了金屬外殼時(shí)的異常溫度。
2016年，李彩紅[13]等人建立了鋰電池的三維生熱模型，研究磷酸鐵鋰電池在不同倍率下的溫度場(chǎng)。研究表明，隨著倍率的增大，組成模組的單體間的溫差也隨之增大，破壞了電池的熱安全性。
3.2 按建模原理劃分
3.2.1 電化學(xué)-熱耦合模型
電化學(xué)-熱耦合模型是一種從電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量的角度來(lái)描述電池在正常工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量的模型。當(dāng)建立該模型時(shí)，首先需要了解電池集流體周圍的固、液相內(nèi)的離子濃度及其遷移速度等情況[14]。該模型最早是由John[15]等提出，為研究電池電化學(xué)模型奠定了重要基礎(chǔ)。
GHALKHANI[16]等人在2017年為研究電池的溫度分布規(guī)律及電流密度分布，創(chuàng)建了袋式鋰離子電池的三維層電化學(xué)-熱耦合模型。利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該模型，得到的溫度場(chǎng)表明了，電池的正極片熱量積累較多的原因是：存在局部?jī)?nèi)阻及電池內(nèi)部的電流分布不均勻。
張志超[17]等人在2019年創(chuàng)建了一種三維電化學(xué)-熱耦合模型，研究電池內(nèi)部的熱特性分布情況及電化學(xué)反應(yīng)行為。仿真結(jié)果表明，放電前，離極耳區(qū)域越近，溫升速率越快，越遠(yuǎn)則越慢;放電時(shí)，電流密度在電池的正極極耳處最大，同時(shí)溫度也是最高的;當(dāng)放電深入時(shí)，離極耳距離越遠(yuǎn)，反而溫升速率更大。
2020年，劉巧云[18]等人以26650 型磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，建立了電化學(xué)-熱耦合模型，模擬了電池在不同倍率下的溫度、散熱率及產(chǎn)熱率的熱行為。
3.2.2 電-熱耦合模型
電-熱耦合模型對(duì)指導(dǎo)依據(jù)電池單體的電壓、電流分布規(guī)律來(lái)研究電池的溫度場(chǎng)，具有重要意義。這種模型不僅能夠優(yōu)化電池極耳、外型、集流體等方面的設(shè)計(jì)，而且有助于進(jìn)一步分析電池的一致性問(wèn)題。
GOUTAM[19]等人在2017年對(duì)20Ah鎳錳鈷氧化袋型鋰離子電池建立了二維電勢(shì)分布與三維溫度分布的電-熱耦合模型。該模型不僅能夠?qū)μ幱诤懔骱蛣?dòng)流狀態(tài)下的電池溫度場(chǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)而且能夠適用于研究大型電池組的熱行為，這在之前的研究中尚未深入探索。
2018年，宋文吉[20]等人建立了一種具有分層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的的電-熱耦合模型 ，研究電池容量變化對(duì)極耳處溫度分布的影響。研究表明：僅僅通過(guò)層疊方式使得電池容量增加會(huì)加大對(duì)熱管理的控制難度，因此，單獨(dú)對(duì)極耳進(jìn)行強(qiáng)化換熱和改變極耳的位置均可達(dá)到降低最高溫度的效果。
2020年，郭健忠[21]等人通過(guò)仿真分析和風(fēng)冷系統(tǒng)散熱的實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了建立的電-熱耦合模型的準(zhǔn)確性。風(fēng)冷系統(tǒng)散熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電池組整體的溫差不大于5℃，在其正常工作的溫度區(qū)間。
3.2.3 熱濫用模型
電池在正常工作狀態(tài)下通常是建立電化學(xué)-熱耦合模型或者電-熱耦合模型，但往往外界環(huán)境情況非常復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，例如電池起火、發(fā)生爆炸等，電池的熱安全性成為電池汽車的一個(gè)必要衡量要素。因此，熱濫用模型的建立非常有必要。該模型模擬處于某些極端情況下的電池，基于傳統(tǒng)產(chǎn)熱模型，綜合分析極端條件對(duì)電池內(nèi)部產(chǎn)熱異常的影響。
Feng[22]等人在2016年，在能量守恒理論基礎(chǔ)上對(duì)大型的鋰離子電池建立了三維的熱失控模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證了模型的可靠性，這為研究隧道的傳播機(jī)理和更好的設(shè)計(jì)熱失控傳播提供有利的保障。
張培紅[23]等人在2020年，對(duì)處于高溫高濕度環(huán)境中的三元鋰離子電池建立了熱濫用模型。實(shí)驗(yàn)以恒定功率的電熱爐作為外部施加熱源，在660s后切斷熱源，同時(shí)，用 COMSOL仿真軟件對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬。研究結(jié)果表明，當(dāng)相對(duì)濕度為50%時(shí)，初始的環(huán)境溫度由20℃增大到40℃，熱失控到來(lái)的時(shí)間會(huì)提起20.2%;當(dāng)相對(duì)濕度在30℃由50%增大到100%時(shí)，電池的最高溫度會(huì)增大37.2%。因此，在高溫和高濕環(huán)境下，電池?zé)崾Э囟鴮?dǎo)致的熱安全性行為的可能性會(huì)顯著提高。
4 結(jié)論
綜上所述，從20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)，電池的熱模型受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。鋰離子電池?zé)崮Ｐ偷陌l(fā)展經(jīng)歷了，由最早提出的將電池視為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)集中質(zhì)量模型到對(duì)電池建立起復(fù)雜的三維熱模型，從基于能量守恒的電化學(xué)-熱耦合模型到預(yù)測(cè)電池?zé)崾Э匦袨榈臒釣E用模型。鋰離子熱模型的建立不僅能夠指導(dǎo)電池單體和電池組的設(shè)計(jì)，而且還能為熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化提供有效的模型驗(yàn)證。
針對(duì)鋰離子熱模型未來(lái)的發(fā)展，筆者認(rèn)為有以下幾個(gè)發(fā)展方向：
（1）三維分層耦合模型的建立。大部分對(duì)耦合熱模型的研究都傾向于二維模型和三維不分層模型，但實(shí)際的電池模型是三維分層結(jié)構(gòu)，因此，需要建立一種三維分層的耦合模型，以此來(lái)提高準(zhǔn)確對(duì)電池?zé)嵝?yīng)進(jìn)行模擬。
（2）模擬真實(shí)工況的必要性。實(shí)際電池的運(yùn)行環(huán)境并非恒流，情況要復(fù)雜得多。因此，為了讓模擬的溫度場(chǎng)更接近與電動(dòng)汽車在真實(shí)環(huán)境下的情況，應(yīng)當(dāng)研究在變電流或者電流密度不均勻分布下的產(chǎn)熱情況和溫度場(chǎng)分布情況。
（3）以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)驗(yàn)證仿真模型的正確性。電池的熱模型作為一種基于能量守恒等理論概念搭建起來(lái)的一種假想模型，需要基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證之后，才能保證該模型能夠準(zhǔn)確描述電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布情況。
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