鋰離子動力電池仿真熱分析——生熱機理【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-05-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本文主要介紹鋰離子動力電池(單體電池)生熱機理,為后邊的單體電池熱仿真分析做鋪墊。

一、鋰離子電池結(jié)構(gòu)

不管是圓柱形、方形后其他異形(軟包、硬殼),其基本構(gòu)成主要為:正極片(基材和圖層)、負極片(基材和圖層)、隔膜、電解液、正極引線(導柄)、負極引線(導柄)、殼體等。下圖為圓柱和方形電池結(jié)構(gòu),圖片來源于網(wǎng)絡。

二、鋰離子電池充放電原理

以鈷酸鋰為正極材料的鋰離子電池為例,其化學反映方程式如下:

充電過程中鋰離子以電解液為載體通過隔膜(通鋰離子隔電子)由正極到達負極,電子通過外電路由正極到負極,滿足電荷守恒。放點過程鋰離子以電解液為載體通過隔膜(通鋰離子隔電子)由負極到達正極,電子通過外電路由負極到正極極,滿足電荷守恒。充放電示意圖如下:

三、鋰離子電池生熱機理

鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量主要由四部分組成:反應熱Qr、極化熱Qp、焦耳熱Qj和分解熱Qs。

反應熱或稱為化學反應熱Qs是由于電池內(nèi)部的化學反應而產(chǎn)生的熱量。n為電池單體數(shù)量,m為正負電極質(zhì)量,Q為正極電化學反應生成熱和負極電化學反應生成熱代數(shù)和,I表示充放電電流大小,M代表摩爾質(zhì)量,F法拉第常熟。

極化熱Qp是由于電池在發(fā)生化學反應過程中存在一些因極化內(nèi)阻而引起能量損失而產(chǎn)生的熱量。極化內(nèi)阻主要包括由活化極化和濃差極化產(chǎn)生的內(nèi)阻。

焦耳熱或稱為歐姆內(nèi)阻熱Qj是由充放電過程中,電流流經(jīng)導電介質(zhì)時產(chǎn)生的熱量。歐姆內(nèi)阻包括電解質(zhì)的離子內(nèi)阻(含隔膜和電極)和電子內(nèi)阻(包括活性物質(zhì)、集流體、導電極耳以及其之間的接觸電阻)。

分解熱或稱為副反應熱Qs是由電池在充放電過程中會伴隨一些副反應而產(chǎn)生的熱量。例如電極的一部分分解和電解液的分解反應等。在正常充放電過程中此部分熱量很小,可忽略不計。

綜上,電池正常充放電,產(chǎn)生的熱量為

四、鋰離子電池傳熱特性分析

我們了解鋰離子電池生熱機理后,就要明白其傳熱特性,才能夠?qū)︿囯x子電池的熱仿真分析進行更準確的建模。

通過熱傳學我們知道,熱量的傳遞方式有三種:熱傳導、熱對流和熱輻射。根據(jù)鋰離子電池結(jié)構(gòu)及Pack結(jié)構(gòu),我們可以知道鋰離子電池內(nèi)部主要傳熱方式為熱傳導,外部傳熱方式主要為熱對流。

五、Abaqus模型初步概想

由以上,我們根據(jù)Abaqus熱分析模塊,結(jié)合電池的產(chǎn)熱、內(nèi)部熱傳導和外部熱對流,可建立簡單的仿真分析模型。其輸入條件(生熱速率、材料屬性、邊界條件等)可通過資料查閱、實驗測試及經(jīng)驗獲取。

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