鋰離子電芯熱模型總結

1 鋰電池系統建模過程概述

       鋰離子電池系統，熱模型建立的大體過程。首先確定單體電池的生熱模型并確定影響參數。生熱模型包含的內容，熱量來源和生熱速率。第二步，選擇熱傳導模型。把電芯真實結構做適度簡化，保留熱傳播過程中的關鍵因素，忽略弱相關因素，平衡模型準確性和復雜性的關系。第三步（不在下文討論范圍），建立電池包系統熱模型。電芯生成的熱量在電池包范圍內傳遞，進而向電池包外部傳遞。根據熱傳遞實際情形，簡化真實電池包結構。如果系統內包含熱管理系統，則熱量自電芯表面向外傳遞開始，熱量傳遞的路徑需要考慮散熱器等熱管理系統器件的作用。

2 鋰電池的熱量來源

       鋰電池系統內，工作狀態不同，其熱量來源會有所區別。

正常工作狀態電芯發熱來源

       正常情況下，熱量主要來自鋰電池充放電過程中的電化學反應，以及周邊電連接器件的自體發熱。

       鋰電池發熱模型，應用最廣的是Newman的生熱理論模型。模型認為鋰電池電化學反應的四個過程有熱量產生，包括：反應生熱，極化生熱，歐姆內阻生熱和副反應生熱。這四類熱量又被劃分成兩種性質，可逆熱和不可逆熱。反應熱，在放電過程中放熱，充電過程中吸熱，稱為可逆熱。其余部分，熱量產生以后，只有耗散掉一個途徑，稱為不可逆熱。在后來的不同應用實例中，人們根據不同需求，對這四個組成部分作出簡化。

       生熱速率模型，應用最廣的是Bernardi模型，模型將可逆熱和不可逆熱分別考慮，建立了生熱速率與系統宏觀測量參數之間的聯系。通過電池的體積、電流、電壓、內阻、溫度和溫度影響系數，可以推算出生熱速率。生熱速率是系統安全性的重要指標。

濫用狀態電芯發熱來源

       濫用狀態下的鋰電池，其熱量來源與正常工作狀態不盡相同，電池濫用的熱模型必須單獨討論，針對具體濫用問題和經歷的工作過程建立熱模型。下面的表述是關于熱濫用生熱模型的研究情況。

       有研究表明，在充電過程中，負極與溶劑的反應和負極表面沉積的鋰金屬反應，是熱量的主要來源，而SEI膜分解熱與前兩者相比，數值小得多。在放電過程中，溶劑與正極材料活性物質的反應，產生主要熱量，負極與粘合劑以及負極與溶劑的反應熱量相對比較小。

       另有人研究鈷酸鋰在熱濫用條件下的主要熱量來源，發現正極材料與電解液的反應生成主要的熱量。

       以上結論，都是針對單體熱濫用情形下。擠壓、針刺、短路等情形，需要針對各自情況，單獨討論。

老化電芯發熱來源

       在并未發生熱失控的狀態下，老化鋰電池工作過程中的發熱來源，類型與新電芯類似，也是前面提到的四種。但老化使得發熱量的比例關系發生了變化，老化發生的原因不同，其自發熱的組成比例也不相同。

       有研究表明，以不同電流循環相同次數，循環電流大的電芯的工作發熱速率高；以同樣高溫（55℃）擱置同樣長時間，荷電狀態高的電芯工作發熱率高；循環發生老化與高溫擱置發生老化比較，剩余容量近似的電芯，擱置老化電芯內阻增加值小于循環老化電芯，但擱置老化的發熱率反而高，這可能是擱置電芯的極化效應更強烈引起的現象。

3 鋰電池單體生熱模型整理

3.1 電化學-熱模型

       不同形式能量的的耦合模型，理論基礎一定是能量守恒。電化學反應與熱的關系，其理論基礎是電化學反應動力學和熱力學，模型描述電能、化學能和熱能之間通過化學反應、電勢和濃差的變化來描述電化學過程，并與外在的溫度取得聯系。

       電化學-熱耦合模型，可以按照維度和對熱傳遞的方式的認識劃分種類。

按照維度劃分

       電化學-熱模型有0至三維各種級別的模型。0維，認為電芯是一個發熱的質點，在電芯內部，不考慮熱傳遞的過程，電芯只作為熱源存在；1維，線性模型認為溫差只在一個方向上存在，熱量只在一個方向上傳遞，比如簡化了的圓柱電池模型就屬于此類；二維模型，考慮熱量在長度和寬度上的分布狀況。比如圓柱形電芯，使用二維模型已經可以比較好的研究電芯單體的熱過程，但在電芯成組以后，其空間位置不再對稱，通過軸線的截面方位不同，熱的分布不同，則二維模型不再能很好的描述電芯溫度場。

       三維模型，全面考慮溫度場在電芯上的實際分布情形。電芯可以不再是一個簡單的幾何體，電芯上比較細節的結構也可以納入考慮范圍。

按照熱傳遞結構劃分

       這個劃分方式是人們進一步考慮電池詳細結構對熱傳遞產生的影響才出現的，因此是在三維模型范圍內的。

       鋰電池內部產熱的情形很復雜，正負極材料、隔膜、電解液、正負極集流體、極耳，每個部分都可以發熱。具體做出怎樣的簡化，與應用場景有直接關系。應用條件越是寬松，越不考驗電芯的極限能力，則模型可以越簡化。

       三維均勻產熱模型，認為模型每個位置的性質均勻一致，產熱和熱傳導的能力一致；三維分層模型，一種分層模型認為熱量只在電池中心產生，但熱傳導的過程是逐層進行，按照平壁模型計算的；另一種分層模型，認為不同層次各自發熱，層與層之間有熱傳遞發生；

       三維分層細化模型，在三維分層的基礎上，增加考慮正負極集流體發熱和電解液歐姆熱，并且各個分層和發熱體之間有熱傳遞過程。更進一步，考慮隔膜發熱，區分可逆熱和不可逆熱；再進一步，考慮電芯殼體形狀、材質和極耳的位置對溫度場的影響。

3.2 電-熱模型

       相對于電化學-熱耦合模型關注電芯內部結構、物質組成、電化學反應過程等偏細節的內容，電-熱模型屬于偏宏觀的建模方式。電-熱模型中能夠反映的電芯參數大體包括電池外形尺寸，電極位置、尺寸等。人們利用這種模型進行的研究，主要是針對電芯的電流、電壓在電池本體上的分布情況，進而推測溫度的分布。從電-熱模型，擴展至電池包的整體系統熱模型，比較方便，可以指導電池組散熱裝置的設計，是應用較多的模型。

       隨著研究的不斷深入，電-熱模型也在向著細化方向發展，模型中逐漸增加考慮因素，比如集流體、正負極、極耳、電芯內部卷繞結構等。模型的細化，逐漸解釋了電流場、電壓場與溫度場的對應關系問題。

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