電池放電過(guò)程中電流通過(guò)銅箔、鋁箔匯集,并通過(guò)極耳導(dǎo)出到外電路,由于電阻的存在,電池在充放電的過(guò)程中,特別是大電流充放電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生顯著的歐姆熱,引起電池溫度的升高,極耳的數(shù)量和位置分布會(huì)對(duì)電池內(nèi)部的電流分布和溫升產(chǎn)生顯著的影響。
近日,英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的Shen Li(第一作者,通訊作者)等人通過(guò)模擬仿真的方法研究了極耳數(shù)量和位置對(duì)于鋰離子電池內(nèi)部溫升的影響。
在該研究中作者在圓柱形電池中引入了熱-電耦合的等效電路模型,并且在電池的熱模型中將電池內(nèi)部的主要結(jié)構(gòu)都考慮在內(nèi),例如電池的金屬外殼、極耳的位置和數(shù)量。作者采用LG的21700電池對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證,并根據(jù)修正后的熱模型對(duì)電池設(shè)計(jì)、熱管理策略進(jìn)行了研究。
作者在Python3.7中構(gòu)建了電路模型和熱模型,下圖為模型的示意圖,其中電模型采用了標(biāo)準(zhǔn)的多階的RC等效電路模型 ,模型中包括電壓源Es,一個(gè)用了模擬電池內(nèi)阻的串聯(lián)阻抗R0,以及多個(gè)用來(lái)描述電池極化行為的RC并聯(lián)支路,為了提高模型的精度,這里作者采用了三階RC等效電路模型。根據(jù)香菇的定理,電路的端電壓φ如下式所示
由于這里作者忽略了集流體的厚度,因此集流體上的電荷守恒只需要考慮x和y兩個(gè)方向
下圖中的紅色部分為電池?zé)崮P�,作者考慮了x、y和z三個(gè)方向上的熱阻,同時(shí)作者在模型中將正極、隔膜和負(fù)極簡(jiǎn)化為單一材料,這主要是因?yàn)橄啾扔诩黧w這三者的熱導(dǎo)率較低。電池的熱量守恒關(guān)系如下式所示
由于電池的外殼具有良好的熱導(dǎo)率,因此在常規(guī)的熱模型設(shè)計(jì)中會(huì)將電池的外殼忽略,但是在這里作者將電芯與電池外殼之間的熱傳遞過(guò)程也考慮在內(nèi)。電池殼與外界環(huán)境的邊界條件如下所示
電模型和熱模型進(jìn)行了雙向耦合,在電模型中熱量來(lái)自電路中的阻抗R,我們認(rèn)為這些熱量均為不可逆,因此電池的總的熱源如下式所示,而這些熱量作為熱源輸入到熱模型之中。
集流體熱源如下式所示
在仿真的過(guò)程中電池產(chǎn)熱作為熱源輸入到熱模型中用以對(duì)模型內(nèi)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的計(jì)算,而熱模型得到的溫度則進(jìn)一步反饋至電模型之中。為了提高模擬仿真的結(jié)果,在模型中采用了1275個(gè)電-熱耦合的等效電路模型。
下圖為用于驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性的LG公司的21700電池,該電池正極采用了NCM811,負(fù)極采用了石墨+SiOx混合體系,容量為5Ah,電池工作電壓為2.5-4.2V。
下圖a展示了將電池表面溫度從25℃提升至45℃的過(guò)程中電芯中間位置的模擬仿真溫度與實(shí)際測(cè)試溫度,從圖中可以看到模擬得到的溫度與實(shí)際測(cè)試溫度比較接近。下圖b則展示了電池表面溫度從45℃降低到35℃時(shí),電池內(nèi)部重要區(qū)域的溫度變化,同樣的模擬得到的溫度變化與時(shí)間測(cè)試得到了溫度變化非常好的擬合在一起。
接下來(lái)作者對(duì)電-熱耦合模型進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試制度分別為0.3C倍率恒流放電和0.5C脈沖放電20%SoC,然后靜置1h。從下圖c可以看到電池再0.3C恒流放電過(guò)程中的電壓與實(shí)際測(cè)試的電池電壓均方差僅為23.31mV,從下圖e所示的脈沖放電測(cè)試結(jié)果可以看到,仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果均方差僅為15.38mV。而恒流和脈沖條件下對(duì)于溫度仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果的均方差僅為0.09℃和0.1℃,這表明該模型能夠很好的對(duì)電池再工況條件下的產(chǎn)熱進(jìn)行模擬。
下圖中作者對(duì)1C放電過(guò)程中電池內(nèi)部的溫度變化進(jìn)行了仿真,邊界條件為熱交換系數(shù)50W/m2K,下圖a-d展示了經(jīng)過(guò)1000s放電后電池內(nèi)部溫度、電流密度、SoC和開路電壓的變化。從下圖a中能夠看到電池中間位置的溫度要比電池表面高1.8℃,進(jìn)而導(dǎo)致電池中間位置的電流密度比空間表面的位置高16%。
電池的冷卻方式常見的有斷面冷卻和表面冷卻,由于金屬外殼的導(dǎo)熱性較好,因此通常熱模型中會(huì)忽略電池外殼。在這里分別驗(yàn)證了直接對(duì)電芯進(jìn)行熱仿真和含有電池殼的模型進(jìn)行仿真,從下圖a可以看到當(dāng)采用僅有電芯的模型時(shí),上下兩端的散熱的方式最為有效,電池內(nèi)部的溫度最低,溫度梯度最小,這主要是因?yàn)殡姵卦诟叨确较蛏暇哂懈叩臒釋?dǎo)率,從而能將熱量盡快的傳導(dǎo)出去。而在模型中將電池外殼考慮在內(nèi),由于電芯與上下蓋之間僅僅通過(guò)極耳鏈接,因此通過(guò)上下蓋的散熱效果大大折扣,因此從下圖b中我們能夠看到通過(guò)上下蓋散熱方式電池溫度顯著提高,最高達(dá)到了52℃,而外殼由于相對(duì)較好的接觸,因此散熱效果要明顯好于上下蓋散熱,電池溫度也更低。
除了散熱方式外,電池極耳設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)電池的散熱產(chǎn)生顯著的影響,在這里作者模擬了單極耳1(正負(fù)極極耳均在電極的頭部)、單極耳2(負(fù)極極耳在電極的頭部,正極極耳在電極的1/3處)、三極耳(極耳均勻的分布在電極上)、全極耳(22個(gè)極耳均勻的分布在電極上)。從下圖b中的仿真結(jié)果可以看到,在開始放電60s后,由于極耳的設(shè)計(jì)不同,就在電池內(nèi)部產(chǎn)生了較大的溫度梯度。從下圖c可以看到采用單極耳1設(shè)計(jì)的電池,在放電末期平均溫度達(dá)到了107.33℃,而采用3極耳和全極耳設(shè)計(jì)的電池,在放電末期平均溫度分別為92.02℃和89.76℃,可見增加電池的極耳數(shù)量能夠有效的降低電池的溫升。
電池內(nèi)部較大的溫度梯度,會(huì)引起副反應(yīng)速度和電流密度分布的不一致,進(jìn)而影響電池的性能和衰降速度,因此有必要對(duì)電池的極耳設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以降低電池內(nèi)部的溫度梯度。下圖中作者對(duì)不同位置的產(chǎn)熱速率、溫度和電流分布進(jìn)行了仿真分析,從圖中能夠看到在開始的時(shí)候,靠近極耳的位置電池的電流密度更大,因此產(chǎn)熱速率也更快,從而造成局部溫度升高,使得局部的內(nèi)阻降低,極化減小,因此進(jìn)一步增加高溫區(qū)域的電流密度,進(jìn)而加速高溫區(qū)的溫升, 這樣的正反饋會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度分布不均現(xiàn)象的加劇。全極耳設(shè)計(jì)能夠有效的降低局部的電流密度,從而減輕這種溫度-電流的正反饋,從而使得全極耳電池的產(chǎn)熱速率要比單極耳電池低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
Shen Li等人通過(guò)構(gòu)建分布式的電-熱耦合模型,精準(zhǔn)的對(duì)電池的產(chǎn)熱行為進(jìn)行了模擬,研究發(fā)現(xiàn)極耳數(shù)量和位置會(huì)對(duì)電池的產(chǎn)熱產(chǎn)生顯著的影響,全極耳設(shè)計(jì)能夠有效的降低局部的電流密度,從而使得電池的局部的產(chǎn)熱速率降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
本文主要參考以下文獻(xiàn),文章僅用于對(duì)相關(guān)科學(xué)作品的介紹和評(píng)論,以及課堂教學(xué)和科學(xué)研究,不得作為商業(yè)用途。如有任何版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)隨時(shí)與我們聯(lián)系。
Optimal cell tab design and cooling strategy for cylindrical lithium-ion batteries, Journal of Power Sources 492 (2021) 229594,Shen Li, Niall Kirkaldy, Cheng Zhang, Krishnakumar Gopalakrishnan,TazdinAmietszajew, Laura Bravo Diaz, Jorge Varela Barreras, MosayebShams, Xiao Hua,YatishPatel, Gregory J. Offer, Monica Marinescu
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