王安安;艾亮;杨治安;贾明;杜双龙
【摘 要】锂离子电池热行为在电池工作过程中扮演重要角,以软包磷酸铁锂电池为研究对象,研究了电池极耳分布对电池电芯热行为的影响.研究结果表明,采用双侧极耳分布的锂离子电池电芯呈对称性分布,并且其最大温度略高于同倍率下单侧极耳分布.此外,随着倍率增大,锂离子电池电芯温度迅速升高,5C放电最高温度可达到318 K,在电池正常工作温度范围内,不需额外散热策略. 【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2018(042)008
【总页数】4页(P1126-1128,1154)铝膜气球
【关键词】锂离子电池;极耳分布;温度分布;热行为
【作 者】王安安;艾亮;杨治安;贾明;杜双龙
UCN-11【作者单位】湖南艾华集团股份有限公司,湖南益阳413000;湖南省特种电容器工程技术中心,湖南益阳413000;湖南艾华集团股份有限公司,湖南益阳413000;湖南省特种电容器工程技术中心,湖南益阳413000;湖南艾华集团股份有限公司,湖南益阳413000;湖南省特种电容器工程技术中心,湖南益阳413000;湖南艾华集团股份有限公司,湖南益阳413000;中南大学冶金与环境学院,湖南长沙410083;艾华集团博士后科研流动站协作研发中心,湖南益阳413000;中南大学冶金与环境学院,湖南长沙410083
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912
锂离子电池由于能量密度高、循环寿命长等特点，已经得到广泛应用，但是其产生的热问题依然不可忽视[1]。如果热量不能及时散失，会在有限的空间累积，导致电池的温度持续升高以及在极片上的不均匀分布，使电化学性能和循环寿命明显下降 [2]。结合相关传热理论建立电池电热模型指导电池设计，既能缩短设计周期，又节约时间和成本[3]。Bernardi[4]基于能量守恒的基本原理，综合考虑了电池反应过程中的电化学反应热、焦耳热、混合热，以及相变过程产热等，提出了目前被广泛使用的电池热模型；以此模型为基
础，通过将Bernardi传统热模型应用于实际电池的产热研究，忽略产热过程中对产热率贡献较小的项，一方面保证了计算精度的要求，另一方面也为电池散热设计奠定了可靠基础。Zhonghao Rao等[5]采用数值方法将实时测量电池组生热率加入到三维模型中，开展了相变材料对于磷酸铁锂电池组散热的研究。与传统的实验验证相比，数值模拟在电池散热设计中表现出了优越性。此外，在电池极耳设计方面，采用数值仿真的方法也可为生产实际提供可靠指导[6-8]。
本文以3.2 V/10 Ah磷酸铁锂软包电池为研究对象。建立了电池仿真模型，对不同极耳位置分布的电池电芯温度开展深入研究，可为磷酸铁锂动力电池的优化设计及热管理提供理论指导。
1 仿真与计算
多人交互式VR
1.1 模拟对象
选取10 Ah动力磷酸铁锂锂离子电池为研究对象。建模时将电池电芯采用均一化处理，电池内部视为一个整体，电芯外层封盖厚度为0.2 mm的铝塑膜。如图1所示，建立几何模型
进行相应网格剖分，极耳采用扫略剖分，得到3 540个网格，其他域采用自由三角形网格，得到10 643个网格数。
1.2 获取热物性参数
表1[9]所示为各材料的热物性参数。
为了简化计算，将各参数视为不随时间变化的常数。计算过程中锂离子电池的平均比热容可以通过式(1)计算。
式中：ρcell、ρi分别为电池的平均密度、各种材料的密度；ccell、ci分别为电池的平均比热容、各种材料的比热容；Vi为各种材料所占的体积。
图1 磷酸铁锂电池几何模型及其网格剖分
表1 磷酸铁锂电池各材料热物性参数隔膜 4 9 2.0 1 9 7 8.2 0.3铝箔 2 7 0 2.0 9 0 3.0 2 3 8.0正极涂层 1 5 0 0.0 1 2 6 0.2 1.5负极涂层 2 6 6 0.0 1 4 3 7.4 1.4铝塑膜外壳 1 6 3 6.0 1 3 7 6.9 0.4铜箔 8 9 3 3.0 3 8 5.0 3 9 8.0电解液 1 2 9 0.0 1 3 3.9 0.5正极极耳(铝) 2 7 0 2.0 9 0 3.0 2 3 8.0负极极耳(铜) 8 9 3 3.0 3 8 5.0 3 9 8.0
根据传热的基本原理，传热分为并联传热和串联传热两种[10]。并联平均导热系数可以通过式(2)确定，串联平均导热系数可以通过式(3)确定。
式中：λx、λy、λz分别为电池材料在 x、y、z 方向的导热系数；λp、λn、λs分别表示电池内的正极极片、负极极片、隔膜的导热系数。
1.3 模型载荷及边界条件android退出应用
电池热模拟的本质是电池内部能量守恒方程，如式(4)所示。
式中：ρ为电池平均密度；Cp为电池平均比热；T为温度；t为时间。
为研究方便、提高计算效率，在模拟中对其变化曲线进行拟合处理，得到电压温度系数与放电深度的非线性表达式：
式中：y为电压温度系数dUavg/dT；x为放电深度；p1～p21为拟合系数，如表2所示。
表2 拟合系数拟合系数 数值 拟合系数 数值p 1 0.2 3 9 2 8 9 1 2 3 7 1 8 9 5 4 p 1 2 2 3.6 9 3 0 9 4 2 8 0 6 7 6 6 p 2 －1.4 1 8 1 6 4 9 5 5 7 9 7 2 1 p 1 3 3.6 1 0 8 3 3 9 8 2 9 7 9 6 4
p 4 8.7 9 7 1 0 8 4 0 1 3 3 2 9 6 p 1 5 －7.5 1 0 8 3 0 7 6 7 3 3 3 4 2 p 3 －3.5 6 3 2 4 3 8 7 2 0 4 2 6 4 p 1 4 1.9 7 6 8 7 8 4 0 9 6 7 0 9 p 6 －1 3.1 4 4 2 0 8 4 5 1 4 7 7 6 p 1 7 －5.6 0 7 6 0 0 4 0 8 6 0 6 23 p 8 －1 4.3 1 4 2 6 7 1 1 1 4 5 1 p 1 9 0.5 7 1 2 2 4 8 4 5 2 2 0 4 3 3 p 9 5.0 5 8 5 6 7 1 5 2 7 6 4 5 8 p 2 0 2 3.4 3 3 5 0 3 5 9 7 8 9 3 4 p 7 －3 0.3 9 8 8 6 5 2 0 9 4 5 7 3 p 1 8 －2 3.3 3 4 5 3 2 1 4 6 8 5 0 9 p 5 1 8.6 5 0 4 9 8 2 1 1 6 3 1 p 1 6 －2 2.2 8 4 2 1 7 9 1 3 8 1 2 6 p 1 1 1 6.3 7 6 7 8 3 0 0 0 7 4 7 7 - -p 1 0 1 5.6 8 9 6 2 0 9 6 2 9 2 1 2 p 2 1 2.5 0 4 1 9 3 8 5 3 7 1 0 6 5
电池正极极耳材料为铝，负极极耳为铜。在放电过程中，极耳生热为焦耳热，其生热率计算公式为：
数据库探针式中：QAl,Cu为正负极极耳的发热率；RAl,Cu为正负极极耳的电阻；VAl,Cu为正负极极耳的体积。
模拟过程中假定单体电池能够进行理论上完全放电(即假定放电倍率为nC，则放电时间为3 600/ns)，电流条件为0.5C、1C、3C、5C，初始温度均为 300 K。
2 结果与讨论
2.1 模型验证
将研究对象在室温环境下进行3C放电，对比720、960、1 149 s三个不同时刻锂离子电池放电的红外成像结果与仿真结果，如图2所示。从图2可以看出，三个时刻，红外测试图中电芯区域温度最大值分别为306.6、308.5、310.0 K，模拟结果最大值分别为305、306.5、309 K，模拟结果与红外实验结果基本吻合，考虑到实验环境的不稳定性以及红外成像的误差，我们认为这个差值在合理范围内。说明本研究采用的电池单体模型能够较准确地反映电池热行为。
图2 电池3C放电结束温度分布
2.2 极耳位置对电芯热分布的影响
比较电池单侧极耳与双侧极耳的电芯温度分布，如图3和图4所示。从图3可以看出，随着放电倍率的增大，电池电芯温度逐渐升高，并且电芯最高温度逐渐向正极耳附近迁移，这是由于正极耳为铝制材质，其在高倍率下产生的欧姆热所致；此外由于电池极耳分布在同侧，导致电芯温度在极耳附近会出现较大的温度梯度。
为保证电池电芯部分温度分布的均匀性，进而研究极耳双侧分布对电芯温度分布的影响，如图4所示。可以看出电芯部分温度呈对称分布，低倍率下极耳产热较小，但是由于其较大的导热系数，导致靠近极耳处温度较低。
比较图3与图4可以看出，在特定倍率下放电结束，电池双侧极耳分布的最高温度比单侧分布的最高温度略高。
图3 单侧极耳电池中心截面温度分布
图4 双侧极耳不同倍率中心截面温度分布
2.3 极耳位置对电芯温度的影响
图5给出了1C放电时电池温升变化，可以看出，电池温升大致可分为三个阶段，即1 000 s之前的缓慢上升期，1 000～2 000 s的平缓期，以及2 000 s以后的快速上升期。如前文所述，电池内部产热主要为不可逆产热与可逆产热的总和，由于仿真过程中电池内阻设定为定值，所以不可逆产热在相应倍率放电时一致，电池温升曲线变化主要取决于可逆热的变化。
如图6所示，电池温升随着倍率增大而迅速增大，0.5C放电结束电池温度为301 K，5C放电结束电池温度达到318 K左右，低于电池正常工作上限温度(323 K)，说明5C放电电池可以保证正常工作，不需采用其他散热策略。此外，图6也验证了双侧极耳分布最高温度比单侧分布的略高。
图5 单侧极耳分布1C放电电芯平均温升曲线
图6 不同极耳分布电芯最大温度分布
3 结论
本文基于有限元仿真理论，以软包10 Ah磷酸铁锂电池为研究对象，研究了不同极耳分布电芯的温度分布，得到以下结论：
(1)建立三维软包电池仿真模型研究锂电池热行为，可以较为准确地模拟电池放电过程中的温度分布，具有一定的理论参考价值。
(2)在假设电池内阻恒定的情况下，电芯温升曲线动态变化情况主要受到不可逆产热变化影
响，并且随着放电倍率的升高，电池温度逐渐升高，5C放电电池温度可达到318 K，在电池理论工作温度范围，不需额外散热措施。
(3)相比于单侧极耳分布的锂离子电池，双侧极耳分布可使得电芯温度呈对称性分布，且电芯最大温度略高于单侧极耳分布。
参考文献：
【相关文献】
[1]李佳,杨传铮,张熙贵,等.石墨/Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2电池充放电过程中电极材料的XRD研究[J].物理学报,2009,58(9):6573-6581.
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[3]汤依伟,贾明,程昀,等.基于电化学与热能的耦合关系演算聚合物锂离子动力电池的温度状态及分布[J].物理学报,2013,62:158201-1-158201-10.
数控卧式滚齿机
[4]BERNARDI D,POWLIKOWSKI E,NEWMAN J.A general energy balance for battery systems[J].J Electrochem Soc,1985,132(1):5-12.
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