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鋰離子電池產熱規律的仿真及實驗分析

來源：測試GO 時間：2022-11-11 11:08:10 瀏覽：4689次

鋰電池熱管理系統，是基于高溫環境對電池特性產生的熱作用，根據電池的電化學特點和產熱原理，基于具體電池的最高充放電溫度區間，經過科學合理的研究制定,建立在材料學、電化學、傳熱學、分子動力學等多專業的學科基礎上，為克服動力電池在環境溫度過高或過低條件下運行時所產生熱散逸或發熱失控等現象，從而改善動力電池總體特性設計的一種新工藝。

很多的電池安全事故，都是由于電池短路所造成的。在電池短路時，過大的電壓就會在電池里面形成巨大的熱能,使得電池的工作溫度迅速地提高。過高的工作溫度會導致電池內部嚴重的高溫失控，從而導致電池完全燒毀，乃至自爆。所以，對動力電池的能量產生機制的研究是鋰電池可靠性研究的非常關鍵的方面。為了可以對動力電池(組)實施合理的熱控制，進一步提高動力電池的穩定性，火災實驗室的科研人員選取了商用的鈦酸鋰軟包電池作為實驗對象，通過實驗和仿真兩種方法對鋰離子電池循環充放電的產熱過程和熱量分布進行了研究。

科研人員首先使用COMSOL 多物理場仿真軟件建立電池的三維電化學模型，模型耦合了電場和溫度場，可以觀察電池內部及表面的溫度變化。為驗證模型更具有準確性，科研人員對電池表面的溫度進行了實際測量。科研人員將鋰電池放置到絕熱加速量熱儀（ARC）中，然后利用充放電循環儀對電池進行循環充放電，并用熱電偶記錄電池表面的溫度變化。通過比較仿真和測量得到的電池表面溫度數據，科研人員可以深入了解模型參數設置的合理性。

絕熱 1.0 C 充放電循環條件下鋰離子電池溫升的實驗值與模擬值對比圖

【注：實線為絕熱條件下的實驗測試結果，虛線為無冷卻條件下的仿真結果】

上圖顯示了使用仿真及實驗方法得出的鋰離子電池溫升曲線。在隔絕熱量交換的條件下，當電池以 1.0 C進行充放電循環時，電池溫升的仿真結果與實驗數據剛好契合，完美地模擬了電池的產熱過程，為后續電池熱失控的研究奠定基礎。

自然對流條件下不同充放電倍率時電池溫升的對比

科研人員接著對自然對流條件下不同充放電倍率時電池的溫升進行了研究，自然對流條件下不同充放電倍率時電池溫升的對比見上圖。可以看出，隨著電池充放電倍率的增加，電池的溫升明顯增大。這主要是因為電化學反應產熱與焦耳熱呈正比，并與電流的平方呈正比。研究人員同時對充放電循環中產生熱量最高的階段進行了分析。從溫度變化曲線可以看出，電池出現了兩個溫度峰：一個溫度峰對應的是放電過程和充電過程之間的轉換階段，主要是因為放電階段產熱速率大于充電階段；另一個溫度峰對應的是恒壓充電末期，由于負極嵌鋰接近飽和，內阻增大，產熱更多。

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