搜索鋰離子動(dòng)力電池仿真熱分析——生熱機(jī)理【轉(zhuǎn)發(fā)】
2017-05-24 by:CAE仿真在線 來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
本文主要介紹鋰離子動(dòng)力電池(單體電池)生熱機(jī)理,為后邊的單體電池?zé)岱抡娣治鲎鲣亯|。
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(fù)極片(基材和圖層)、隔膜、電解液、正極引線(導(dǎo)柄)、負(fù)極引線(導(dǎo)柄)、殼體等。下圖為圓柱和方形電池結(jié)構(gòu),圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)。
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(xué)反映方程式如下:
充電過(guò)程中鋰離子以電解液為載體通過(guò)隔膜(通鋰離子隔電子)由正極到達(dá)負(fù)極,電子通過(guò)外電路由正極到負(fù)極,滿(mǎn)足電荷守恒。放點(diǎn)過(guò)程鋰離子以電解液為載體通過(guò)隔膜(通鋰離子隔電子)由負(fù)極到達(dá)正極,電子通過(guò)外電路由負(fù)極到正極極,滿(mǎn)足電荷守恒。充放電示意圖如下:
三、鋰離子電池生熱機(jī)理
鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量主要由四部分組成:反應(yīng)熱Qr、極化熱Qp、焦耳熱Qj和分解熱Qs。
反應(yīng)熱或稱(chēng)為化學(xué)反應(yīng)熱Qs是由于電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量。n為電池單體數(shù)量,m為正負(fù)電極質(zhì)量,Q為正極電化學(xué)反應(yīng)生成熱和負(fù)極電化學(xué)反應(yīng)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(xué)反應(yīng)過(guò)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(chēng)為歐姆內(nèi)阻熱Qj是由充放電過(guò)程中,電流流經(jīng)導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)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(dǎo)電極耳以及其之間的接觸電阻)。
分解熱或稱(chēng)為副反應(yīng)熱Qs是由電池在充放電過(guò)程中會(huì)伴隨一些副反應(yīng)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(yīng)等。在正常充放電過(guò)程中此部分熱量很小,可忽略不計(jì)。
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(jī)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(jìn)行更準(zhǔn)確的建模。
通過(guò)熱傳學(xué)我們知道,熱量的傳遞方式有三種:熱傳導(dǎo)、熱對(duì)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(dǎo),外部傳熱方式主要為熱對(duì)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(dǎo)和外部熱對(duì)流,可建立簡(jiǎn)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(guò)資料查閱、實(shí)驗(yàn)測(cè)試及經(jīng)驗(yàn)獲取。
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