锂离子电池热模型研究进展

锂离子电池的热模型对于锂离子电池单体和热管理系统的设计有重要帮助,是研究改善锂离子电池安全性的重要工具.介绍了国内外关于锂离子电池热模型的研究进展,包括电化学一热耦合模型、电一热耦合模型和热滥用模型,以及以这些模型为基础,在锂离子电池单体设计、热管理和安全性研究方面做的工作.在此基础上,分析了当前研究有待于深化的地方,为下一步研究提供参考.     

锂离子电池热模型的研究动态

锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、高循环次数及高电压等特点,在新能源产业占据越来越重要的地位。锂离子电池的循环效率、容量、功率、安全性、可靠性和寿命等诸多性能与温度密切相关。热模型可以模拟电池在应用条件下的热行为,研究电池产热、传热、散热的规律,实时计算电池内部和表面的温度变化以及温度场信息,为电池和电池组热管理系统设计与优化提供依据。首先介绍了锂离子电池热模型的类型及产热来源,然后阐述了锂离子电池电化学-热耦合模型、热滥用模型和电-热耦合模型的研究进展,最后根据当前锂离子电池热模型存在的问题对其今后的发展方向进行展望。     

空间氢镍电池的热设计研究

为进一步改善空间用氢镍电池的热设计,降低电池组的轴向温差,对电池壳体以及卡套的结构进行了设计改进,同时引入新的结构件材料(镁合金)来提高电池组散热能力;对改进后的电池组件进行了热学仿真分析、经验公式的定性分析、低真空温差试验和电池组热真空试验验证,验证结果表明,电池组轴向温差与改进前相比降低了39％,电池组的热设计得到了大幅度改善.     

基于热-电耦合模型的锂离子电池热特性分析

锂离子电池的热效应不仅影响电池的性能和使用寿命,同时也是电池安全使用的一个隐患。针对18650型锂离子电池的热效应,建立一维电化学与二维传热耦合模型,并对模型进行数值计算及试验验证,重点分析了热电耦合模型对18650型锂离子电池温升效应的预测及工作温度对锂离子电池放电容量的影响。结果表明:热电耦合模型可以较准确地预测锂离子电池运行过程中的温度场变化,工作环境温度对单体电压无影响,但对锂离子电池充放电影响较大,环境温度升高,锂离子电池材料活性增大,放电容量增大。     

圆柱型锂离子电池三维分层热耦合模型研究

圆柱型锂离子电池的电芯由电池单元卷绕形成,其中电池单元由浸润在电解液中的正负极片、隔膜以及正负极耳组成。三维平均体积模型难以分析电池内部复杂的电化学系统,对此,针对实物的三维结构建立了考虑瞬态温度变化与电化学反应间相互影响的三维分层模型。通过实验验证了模型的准确性,基于模型结果详细分析了在不同放电倍率下电池内部电流密度和极化电压等电化学特征、焦耳热及反应热的产热速率和电池内部温度分布。研究结果有助于后续电池温度一致性及热管理技术的研究。     

热电池热模拟研究

简要介绍了使用ANSYS对热电池进行热模拟的流程,并针对具体的热电池进行了初步分析。通过对比,模拟结果与实测值基本吻合,说明热模拟对电池热设计具有指导意义。     

锂离子电池热滥用模型及实验校核

建立了锂离子电池(BYD:LiCoO2-EC/EMC/DEC/DMC-Graphite,18650)的三维非稳态热滥用模型。根据离线测量的电池材料物性参数进行了炉箱测试的数值模拟,并利用三种不同状态(未注电解液、注液但未充电及充满电)电池的炉箱测试结果对模型进行了校核。在此基础上,研究了锂离子电池在热滥用情况下的放热与温升规律。基于影响电池热失控的两个主要因素(温度和充电状态),提出判别电池热安全性的临界曲线分析法。     

圆柱形锂离子电池的三维热模拟

建立了一个典型10Ah动力用圆柱形锂离子电池在1 C放电条件下的三维热模型,并采用相关软件得到了数值解,进而用图示的方法给出了该电池在上述工作状态下的温度分布图。     

高功率锂离子电池热特性研究

动力型锂离子电池安全性与其热特性具有十分密切的关系。对38120型高功率圆柱电池的引流结构进行了优化,优化后的电池结构大大改善了电池的大电流放电能力。而后以加速量热仪测定了电池在不同放电倍率下的温升、热功率、比热容等参数,对电池的放热特性进行了研究。     

锂离子电池电-热联合仿真平台构建

锂离子电池在充放电过程中各个参数量都会随温度的变化而变化,实时评估锂离子电池的电热特性对电动汽车维护和电网储能运行至关重要。针对实际运行中锂离子电池参数测量不准确、电热传递特性不易获取、操作不便等问题,构建锂离子电池电气模型和热模型,并基于等效电路模型和集中热参数模型,综合考虑电池电-热耦合特性,构建了锂离子电池电-热联合仿真平台。基于仿真平台,通过恒流—恒压—新欧洲驾驶周期(New European Driving Cycle,NEDC)实际工况充放电试验,得到电池温度变化曲线,并通过分析温度与电流、端电压和产热散热特性曲线的对应关系,验证了联合仿真平台的有效性。该联合仿真平台可为锂离子电池电-热耦合特性的理论分析以及电池管理系统的设计优化提供依据。     

长寿命热电池保温材料的研究

对用于长寿命热电池的气相SiO_2复合保温材料进行了详细研究。所研制的保温材料在500 ℃,密度为0.265 g/cm3时,导热系数为0.062 9 W/m·k(热线法);测试温度上升曲线的实验表明性能接近美国同类材料Min-K的水平。研究表明,这种材料最主要的影响因素是材料密度和制备工艺。     

热电池正极材料钒氧碳的性能研究

对热电池正极材料钒氧碳(VOC)的合成方法及性能特点作了评述。实验在不同工艺条件下的热反应制得不同成分的VOC材料,运用X射线衍射光谱法(XRD)和扫描电镜技术对所得产物进行了物相分析及形貌分析,并对其作为热电池正极材料的放电性能作了检测研究。实验结果表明:反应物配比、煅烧时间和温度对生成的VOC物相及性能都有重要的影响。粉末颗粒径向粒径小,比表面积较大的层片状及细棒状材料满足Li+快速扩散,使电池能够在较大电流密度下以较高的电压放电。对VOC材料进行放电性能测试发现,VOC能够提供较高的电压和平稳的放电平台,同时该化合物的重现性较好,容易加工成型,是一种较为理想的正极材料。     

锂合金热电池内阻

热电池的内阻大小直接影响着电池的负载能力。热电池的内阻越小,其负载能力越强。依据热电池的具体特点,从它的内部结构、单体电池的厚度、正负极材料、工作温度等几个方面,研究影响热电池内阻的因素。     

硫化铁热电池初始峰压产生机理研究

分析了黄铁矿的杂质元素含量;利用正极掺杂,实验了可能产生热电池初始峰压的Fe、S杂质及化合物,分析了导致峰压各化合物的两种来源,解释了硫化铁热电池正极制备中削峰工艺的作用原理是还原了三价铁杂质。     

商业化锂离子电池的热稳定性研究

采用加速量热仪(ARC)研究了商业化锂离子电池(LiCoO/石墨)的热稳定特性,主要考察了开路电压、循环次数以及容量对电池的热稳定性影响.ARC测试结果表明,当电池开路电压由3.8 V增至4.4 V时,电池的起始放热反应温度由100℃降低到73℃,并且在同一温度下,电池的自加热速率随电压的升高而增大;在相同条件下,电池的起始放热反应温度几乎不受循环次数(0～400次)及容量大小(710 mAh和780 mAh)的影响.但是,随着循环次数的增加和电池容量的增大,电池的自加热速率增大.另外,为进一步了解电池内部热量来源,分别对充电到4.2 V完整的正负极片进行了热分析.实验结果表明,负极在60℃左右开始放热,而正极在110℃左右开始热分解,但由于正极热分解释放出大量氧气致使电池内压迅速增大,并最终导致电池热失控.     

锂电池组动态热模型在混合动力汽车中的应用

锂离子电池热模型对于电池单体和热管理系统的设计有着重要的意义,研究串并联组合的锂离子电池组在混合动力汽车系统中的性能和寿命,提出面向控制的电池组动态热模型,该模型能根据电池组当前的环境温度、运行负荷、冷却强度和初始荷电状态实时估计电池组中各单体电池的运行温度。实验利用18650型锂离子电池单体,实现3并3串和3串3并形式的电池组循环充放电,得到单体电池温度分布曲线。仿真比较结果表明,提出的电池组热模型具有较高的估计精度,满足混合动力汽车的热管理系统的设计要求。     

导热硅胶形状对液冷式电池组热性能影响研究

随着电动汽车能量密度的增加以及充放电功率水平的提高,动力电池热问题日益突出,电池热管理系统设计显得尤为重要。从动力电池组应用场景出发,建立了液冷式电池组有限元模型并仿真分析了4种导热硅胶形状对电池组热性能的影响。研究发现,随着导热硅胶与电池组接触面积的减少,电池组温度有所上升,但温差较小。相比于常规设计方案,改短设计方案在电池组温度略微上升的条件下温度均匀性改善明显,可以为电池热管理系统设计提供参考。     

锂离子电池热失控风险综述

针对锂离子电池在循环过程中可能出现的燃烧、爆炸等安全问题,在概述电池热失控滥用工况及诱发机制的基础上,总结电池在宽温域内可能出现的性能衰退、失效形式和热失控风险,并提出电池在低温、正常温度和高温等环境下工作的保障措施,以促进锂离子电池安全发展.