18650三元锂离子电池的放电热特性与燃烧特性.docx

《18650三元锂离子电池的放电热特性与燃烧特性.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《18650三元锂离子电池的放电热特性与燃烧特性.docx（17页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、通过某18650型NCM锂离子电池在恒温箱温度为40C、25时的0.5C、1C2C放电倍率实验与0C、-25C时0.5C倍率的放电实验，得到不同温度与放电倍率下电池的电压与温度曲线，并验证电化学-热耦合模型的可靠性，在25时模型精确度最高，电压误差为0.07V,温度误差为0.8C,-25时精确度最低，电压误差为0.6V,温度误差为1.50Co借助模型进行25时电池的电极产热分析，并模拟25温度条件下2C放电时的温度场分布，放电结束时电池正负极极耳处温度最高，具体数值为34.8,与气流正对的电池表面的温度最低，数值为34,在气流后侧距电池中心50mm处的模型边界处受电池产热与气流的影响温度上升4

2、C。锂离子电池在使用过程中起火爆炸的事件时有发生，这使得人们更加关注锂离子电池工作过程中的热特性。现在的电池生产制造技术还做不到在电池内部置入温度传感器而不影响电池的性能，而且内置温度传感器将使电池生产成本极大增加。但是计算机的发展为我们提供了另一种研究电池工作过程的工具，将电池内部的电化学过程采用数学建模的方式在计算机上呈现，通过不断修正来提高模型的精确度，去获得我们需要的电池的参数变化。Ng等通过实验及建模来提取电化学-热耦合模型所需参数，开发了快速得到电池电压和温度的方法。Mei等建立三种不同尺度的电化学.热耦合模型仿真软包锂离子电池在25时不同放电倍率下的生热速率及电化学性能，比较三种

3、模型的可靠性及快捷性。ChieW等使用COMSOLMultiphysics建立26650圆柱磷酸铁锂电池的伪三维电化学-热耦合模型，研究在20、25、30和不同放电倍率下电池的热特性。黄伟借助软件COMSOLMultiphysics5.3建立软包锂离子电池的电化学-热耦合模型，对不同倍率放电的电池进行温度仿真实验，并分析电化学产热、极化热、欧姆热等产热方式的占比。刘良等对车用三元锂离子电池进行恒温恒倍率测试，并建立电化学-热耦合模型进行温度分布模拟。戴海燕等基于单体18650电池的电化学-热耦合模型研究电池组排布方式对电池热特性的影响，仿真结果表明交叉排列散热温度特性优于对齐排列。仿真与实验同

4、时进行即能保证模型的准确性，又可以分析实验中难以测量的参数,对电池的生产设计具有一定的指导意义。到目前为止，18650型三元NCM（银钻锌）锂离子电池在不同恒温箱温度以及不同放电倍率下的热特性研究尚待完善，故对某种NCM锂离子电池进行试验，并建立电化学-热耦合模型来分析电池的热特性。1实验设计使用试验设备有限公司的BTT-150C恒温箱、科技有限公司的MCT8-50-05充放电仪探究电池的放电特性，试验仪器如图1所示，将电池置于恒温箱内并与充放电仪连接，并使用绝缘胶带将一个温度传感器固定在电池表面的中心。电池规格参数如表1所示，结合规格参数设计如表2所示的实验步骤，实验中采用该电池的标准充电方

5、式，先0.5C恒流充电至4.2V再恒压充电至电流小于等于0.052A,不同环境温度及放电倍率如表3所示。(a)恒温箱(b)充放电仪图1表1电池试验设备试验18650型NCM电池规格参数项目数值表2标称容量最大充电电压标称电压工作电压范围充电温度放电温度内阻充放电试验步骤2600mAh4.20V3.60V0.2C2.754.2V0454C-2560tC65m步骤程序截止条件1静置(25CC)6Omin2放电(25tC)电压2.75V3静置(251)60min4恒流0.5C充电(251)电压4.2V5 恒压4.2V充电(25CC)电流0.052A6 静置(试验所需温度)。6Omin7 放电(试验所

6、需温度、电流)电压W2.75V8 静置(25C)060min循环步骤48最后一步恒流充电容量21.04Ah表3不同放电条件温度/eC放电倍率/C40250-250.5/1/20.5/1/20.50.52电化学-热耦合模型2.1电化学模型电池的电化学模型以Newman模型为基础，由负极集流体、负极涂层、隔膜、正极集流体、正极涂层构成，将正负极视为由相同颗粒组成的带有间隙的多孔电极，颗粒半径越小，电池充放电循环性能越好，而电解液则充满颗粒间空隙,如图2所示。负极为石墨，正极为三元材料NCM,电解液为LiPF6,各部分材料参数见表4。当电池处于充电状态时，Li+从正极固体颗粒表面脱出，在电解液中穿过

7、隔膜，在负极颗粒表面嵌入，形成嵌锂石墨；当电池处于放电状态时,锂离子从负极脱出回到正极，锂离子嵌入和脱出的数目越多，电池容量越大。由于浓度差的存在，Li+在正负极颗粒内部进行固相扩散，在电解液中进行液相的扩散和迁移。S铝箔集流体负载CHiiooeooe由FWQ=P：*o0eo0e负极：隔膜、电解液正极图2电化学模型示意图表4材料参数参数参数物理意义单位CU箔负极隔膜正极AlffiL厚度m810670106201067010610106r粒子半径m2.51061.7106P密度kgm389331347100823282600CP比热容J(kgK)385143719781269875k导热系数W(

8、mK)3981.040.3441.58238锂离子在电极内的嵌入与脱嵌即电极动力学，可用BUHer-VoImer方程描述。1.iexp(j)-exp(?)式中，Zo为交换电流密度；g、4分别为阳极与阴极的传递系数；为颗粒表面的过电势。假设在电池的充放电过程中只有活性物质锂离子参与化学反应，不出现其他副反应。锂离子在电解液中只存在扩散和迁移，而迁移的离子个数可忽略不计，故认为锂离子在电解液中的传递方式仅有扩散，采用FiCk第二定律描述其过程步吸方程左边的部分表示锂离子浓度随时间的变化率；%为液相体积分数；CC为液相锂离子浓度；/为时间。Wa表示扩散对液相锂离子浓度的影响，zye为液相锂离子有效扩

9、散系数。（1一GA表示固液交界面处化学反应对液相锂离子浓度的影响；为电极颗粒单t/e位体积的表面积；+为锂离子液相转移数；e为固液交界面处锂离子流量密度。正极、负极、隔膜的液相扩散方程的不同之处在于参数值与边界条件，边界条件是用来表达实际电池中各部的物理化学意义，各部分表达的意义不同，从而导致边界条件不同。锂离子在固相中的扩散方程见式出一a,8r加）方程左侧表示锂离子浓度随时间的变化，CS为固相锂离子浓度；,为时间。方程右侧表示固相扩散对固体颗粒内部锂离子浓度的影响，OS为固相锂离子扩散系数；/为固体颗粒的半径。正、负极固相扩散方程的边界条件和扩散系数不同。模型遵循电荷守恒以及质量守恒方程（3

10、）v-1一。防+2*S+薨MignCJL+V（-皿叼）=；-也在电荷守恒方程中，力为电解液电导率，i为电解液电势；/为液相活化系数；尸为法拉第常数；Cl为电解液盐浓度；+为锂离子迁移数；%为电化学电流源；QI为电解质电流源。在质量守恒方程中，J表示电解液体积分数；为电解液扩散系数；尺为锂离子源项总质量。电池产生的热量包括可逆热（充放电过程中端变引起）与不可逆热（欧姆热、极化热），而可逆热与极化热均为电化学反应热，可逆热是电池内部发生电化学反应时引起的热量变化，极化热是由于电池内部在伴随电化学反应产生的极化内阻引起的能量损失，欧姆热为电流流经导电介质时产生的热量。OlH=（hV/+LV。）OE=

11、Ur帚儿Qo,p=,ntQmQmQJH表示欧姆热，第一项为固相中的电热生成，L表示固相电流；底为固相电势；第二项为电解质产生的离子热，.表示液相电流；次为液相电势。为电化学反应热，包括不可逆的极化热以及嫡变引起可逆热，心t”为过电势总和，表示电化学反应中不可逆的激活损失，EeqE为燧，TF为与温度相关的燧变。QTOu为电池产生的总热量，“二机为电极颗粒比表面积。2.2传热模型为模拟恒温箱中不同温度下电池的工作状态及温度变化，建立如图3(a)所示的依靠空气对流散热的固体传热圆柱形电池模型，为模拟恒温箱内的环境，恒温箱在维持恒定温度时有均值约0.1m/s的空气流动，故设置模型空气流速为0.1ms,

12、并构建自由四面体网格如图3(b)所示，模型各部分尺寸如表5所示。几何模型(b)网格模型图3固体传热与空气对流散热模型表5几何模型参数电池电池主电池帽mm心轴流场尺寸流场方向型号体mmmmmm186508*656*h3夕2*65100*100*68沿V轴逆向流入3模型验证与试验结果分析3.1模型验证锂离子电池内部正负极产生的可逆热、不可逆热以及电池的温度场分布难以通过实验测量，因此通过对比仿真与实验时电池的电压、温度特性曲线来验证模型的准确性，图4(a)图4(d)为试验所得电压曲线与仿真结果的对比，图4(e)图4(h)为温度曲线的仿真与实验对比图，从图中可知，模型在仿真恒温箱温度为4025时，仿

13、真曲线与实验曲线重合度较高，说明模型准确度高；恒温箱温度为0时，模型准确性稍微降低，电压最大误差为0.1V,最大温度误差为0.7；恒温箱温度为.25C时，仿真曲线最大电压误差为0.6V,最大温度误差为1.5,但模型仍具有一定的参考意义。表6为不同环境温度与放电倍率下电池表面中心点的最大温升，以及在整个放电过程中仿真与实验曲线的最大误差，模拟与试验最大温升接近，放电过程中最大误差较小。综上所述，模型仿真电池放电时的电压曲线与产热导致的温度曲线时都具有较高精确度，能够验证模型的准确性。2.8O 2000 4000 6000 时间/s(1) 5002000 4000 600002000 4000 6

14、0时MpS时间/sW(O48464442403432302826 p、*a3 2图4电压曲线验证与温度曲线验证表6温升对比与最大误差试验环境温度/P40250-25放电倍率/C0.5120.5120.50.5试验温升/七1328.71.739.02.83.2仿真温升/P1.32.38.52.22.99.53.52.7最大误差/C0.50.310.50.40.50.71.53.2实验结果分析由图4中实验所得曲线可知，相同温度下放电电压随放电倍率的增大而减小，主要原因是电流增大导致电池内阻所占的电压变大；相同倍率放电时，放电电压随温度的降低而降低是因为低温对电池材料的性能影响较大，导电能力降低，离子传输速率降低，导致电阻变大，放电电压降低。在恒温箱温度为O、25C、40C时，电压的变化一致为逐渐降低，并且初始放电电压在4.0V附近,但在-25时电池初始放电电压仅为3.08V,在放电260S后电压逐渐升高至3.21V,从图4可以看到3.21V时温度处于第一个极大值点-22.3附近，分析得知-25C的低温环境中电池内阻远大于0、25与40时的内阻，在电池开始放电后，放出的热量使电池材料的性能略有改善，故电压小幅度上升至3.21V,之后随放电的进行电压又逐渐降低2.75V。