锂离子动力电池仿真热分析——生热机理【转发】

2017-05-24 by:CAE仿真在线来源:互联网

本文主要介绍锂离子动力电池(单体电池)生热机理,为后边的单体电池热仿真分析做铺垫。

一、锂离子电池结构

不管是圆柱形、方形后其他异形(软包、硬壳),其基本构成主要为:正极片(基材和图层)、负极片(基材和图层)、隔膜、电解液、正极引线(导柄)、负极引线(导柄)、壳体等。下图为圆柱和方形电池结构,图片来源于网络。

二、锂离子电池充放电原理

以钴酸锂为正极材料的锂离子电池为例,其化学反映方程式如下:

充电过程中锂离子以电解液为载体通过隔膜(通锂离子隔电子)由正极到达负极,电子通过外电路由正极到负极,满足电荷守恒。放点过程锂离子以电解液为载体通过隔膜(通锂离子隔电子)由负极到达正极,电子通过外电路由负极到正极极,满足电荷守恒。充放电示意图如下:

三、锂离子电池生热机理

锂离子电池内部产生热量主要由四部分组成:反应热Qr、极化热Qp、焦耳热Qj和分解热Qs。

反应热或称为化学反应热Qs是由于电池内部的化学反应而产生的热量。n为电池单体数量,m为正负电极质量,Q为正极电化学反应生成热和负极电化学反应生成热代数和,I表示充放电电流大小,M代表摩尔质量,F法拉第常熟。

极化热Qp是由于电池在发生化学反应过程中存在一些因极化内阻而引起能量损失而产生的热量。极化内阻主要包括由活化极化和浓差极化产生的内阻。

焦耳热或称为欧姆内阻热Qj是由充放电过程中,电流流经导电介质时产生的热量。欧姆内阻包括电解质的离子内阻(含隔膜和电极)和电子内阻(包括活性物质、集流体、导电极耳以及其之间的接触电阻)。

分解热或称为副反应热Qs是由电池在充放电过程中会伴随一些副反应而产生的热量。例如电极的一部分分解和电解液的分解反应等。在正常充放电过程中此部分热量很小,可忽略不计。

综上,电池正常充放电,产生的热量为

四、锂离子电池传热特性分析

我们了解锂离子电池生热机理后,就要明白其传热特性,才能够对锂离子电池的热仿真分析进行更准确的建模。

通过热传学我们知道,热量的传递方式有三种:热传导、热对流和热辐射。根据锂离子电池结构及Pack结构,我们可以知道锂离子电池内部主要传热方式为热传导,外部传热方式主要为热对流。

五、Abaqus模型初步概想

由以上,我们根据Abaqus热分析模块,结合电池的产热、内部热传导和外部热对流,可建立简单的仿真分析模型。其输入条件(生热速率、材料属性、边界条件等)可通过资料查阅、实验测试及经验获取。

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