圓柱形鋰離子動力電池放電過程電化學(xué)與傳熱特性_圖文

1、 第 32 期 0.35 0.30 產(chǎn)熱速率/W 0.25 0.20 0.15 0.10 0 2 徐蒙等：圓柱形鋰離子動力電池放電過程電化學(xué)與傳熱特性研究 反應(yīng)熱 歐姆 極化熱 59 18 16 總產(chǎn)熱速率/W 14 12 10 8 6 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 放電容量/Ah (a 0.5 C 倍率放電過程各部分產(chǎn)熱速率 0.7 總產(chǎn)熱速率/W 0.6 產(chǎn)熱速率/W 0.5 0.4 0.3 0.2 0 2 4 6 8 10 反應(yīng)熱 歐姆 極化熱 放電容量/Ah (a 5 C 倍率放電過程總產(chǎn)熱速率 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0 2 4 6

2、放電容量/Ah 8 10 放電容量/Ah (b 1 C 倍率放電過程各部分產(chǎn)熱速率 2.2 1.8 產(chǎn)熱速率/W 1.4 1.0 0.6 0 2 4 6 放電容量/Ah 8 10 反應(yīng)熱 歐姆 極化熱 (b 0.5 C 倍率放電過程總產(chǎn)熱速率 圖6 Fig. 6 不同倍率放電過程總產(chǎn)熱速率 Total heat generation rate at various discharge rates 由于高倍率放電時產(chǎn)熱速率高、溫升大，歐姆內(nèi)阻 隨溫度升高而減小，因此歐姆熱產(chǎn)熱速率隨放電容 量增大而減小。 圖 7 為自然對流換熱條件下(h=5 W/(m2×K， 高 倍率(2 C、5 C放

3、電過程電池表面溫度變化曲線。大 電流放電時，電池表面溫度曲線幾乎不受反應(yīng)熱產(chǎn) 熱速率波動性影響而出現(xiàn)溫升速率先減小后增大 的情況，但是溫升速率在整個放電過程呈現(xiàn)逐步減 小的趨勢，這是因為歐姆熱阻隨溫度升高而減小， (c 2 C 倍率放電過程各部分產(chǎn)熱速率 14 產(chǎn)熱速率/W 10 反應(yīng)熱 歐姆 極化熱 歐姆熱產(chǎn)熱速率隨之減小。圖 4 和圖 7 所示溫度隨 放電容量的變化曲線可以說明，放電倍率增大時， 電池溫升明顯增大，5 C 倍率放電過程電池表面溫 度達到 72 ，遠超出磷酸鐵鋰動力電池安全工作 6 2 0 2 4 6 放電容量/Ah 8 10 溫度范圍-1055 。 由于高溫會導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)

4、生 副反應(yīng)，破壞電極內(nèi)部結(jié)構(gòu)，甚至引發(fā)熱失控。 圖 8 為強制對流傳熱條件下(h=30 W/(m2×K， (d 5 C 倍率放電過程各部分產(chǎn)熱速率 圖5 不同倍率放電過程各部分產(chǎn)熱速率 Partial heat generation rate at various discharge rates Fig. 5 50 W/(m2×K進行大電流放電的表面溫度隨放電容 50 W/(m2×K 量變化曲線。 邊界條件 h=30 W/(m2×K， 條件下，放電末期電池表面在溫度分別達到 54 和 面溫度隨放電時間變化的實驗數(shù)據(jù)(圖 4相互印證。 如圖 5(c、(d所

5、示，高倍率放電(2 C、5 C時， 歐姆熱產(chǎn)熱速率已經(jīng)明顯大于反應(yīng)熱產(chǎn)熱速率，此 時可逆反應(yīng)熱對電池總產(chǎn)熱的影響已經(jīng)微乎其微， 其波動性也不能在總產(chǎn)熱中體現(xiàn)(圖 6(a。同時， 48 ，符合電池安全工作的溫度范圍。由式(22可 知，隨著電池表面與環(huán)境溫差增大，對流換熱更加 劇烈，因此，如圖 8 所示，對流換熱系數(shù)越大，溫 度曲線會更快地趨于平衡狀態(tài)。所以，采取必要的 60 330 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第 33 卷 度升高而減小。 模擬 4）大電流放電需要結(jié)合電池熱管理系統(tǒng)對電 池進行冷卻，提高對流換熱系數(shù)有利于減小溫升， 從而確保鋰離子動力電池安全、高效地輸出功率。 320 溫度/

6、K 310 參考文獻 1 高飛，楊凱，惠東，等儲能用磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命 0 2 4 6 放電容量/Ah 8 10 300 的能量分析J 中國電機工程學(xué)報， 2013， 33(5： 41-45 Gao Fei，Yang Kai，Hui Dong，et alCycle-life energy analysis of LiFePO4 batteries for energy storage JProceedings of the CSEE，2013，33(5：41-45(in Chinese (a 2 C 倍率恒流放電溫度變化 350 340 模擬 溫度/K 330 320 310 300 0 2

7、 4 6 放電容量/Ah 8 10 2 Doyle M ， Fuller T F ， Newman J Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/ polymer/insertion cellJJournal of The Electrochemical Society，1993，140(6：1526-1533 3 Delacourt C，Safari MAnalysis of lithium deinsertion/ insertion in LiyFePO4 with a simple mathematica

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11、Beijing Institute of Technology ， 2008 ， 28(9 ： 782-785(in Chinese 9 Sabbah R， Kizilel R， Selman J R， et al Active (air-cooled vspassive (phase change material thermal management of high power lithium-ion packs： limitation of temperature rise and uniformity of temperature distributionJJournal of Pow

12、er Sources，2008，182(2：630-638 10 Somasundaram K， Birgersson E， Mujumdar A Thermalelectrochemical model for passive thermal management of a spiral-wound lithium-ion batteryJJournal of Power (b 5 C 倍率恒流放電溫度變化 圖7 Fig. 7 350 340 溫度/K 330 320 310 300 0 大電流恒流放電溫度變化 Surface temperature at higher discharge

13、rates h=50 W/m2×K h=30 W/m2×K h=5 W/m2×K 2 4 6 放電容量/Ah 8 10 圖8 強制對流換熱條件下溫度變化 Surface temperature under forced convection condition Fig. 8 冷卻措施有利于電池的安全、高效運行。 4 結(jié)論 1）通過建立鋰離子動力電池電化學(xué)熱耦合模 型，分析了電池在不同倍率下放電的電化學(xué)與傳熱 特性。 2）放電倍率越大，電池表面溫升越高，5 C 放 電時溫升可達到 45 ，超出安全工作溫度范圍。 3）低倍率(£1 C放電時，可逆反應(yīng)熱約占電

14、池 總產(chǎn)熱的 50%，電池表面溫度曲線依次呈現(xiàn)上升 平緩上升趨勢；高倍率(³2 C放電時，歐姆熱占總 產(chǎn)熱的 50%以上，且該比重隨放電倍率的增大而增 大，溫度曲線呈現(xiàn)逐步上升趨勢，但溫升速率隨溫 第 32 期 徐蒙等：圓柱形鋰離子動力電池放電過程電化學(xué)與傳熱特性研究 61 Sources，2012，203：84-96 11 Ye Yonghuang，Shi Yixiang，Cai NingshengElectrothermal modeling and experimental validation for lithium ion batteryJJournal of Power

15、Sources，2012，199(3： 227-238 12 Chen Shinchih，Wang Yungyun，Wan ChichaoThermal analysis of spirally wound lithium batteriesJJournal of the Electrochemical Society， 2006， 153(4： A 637-A 648 13 Zhang Xiongwen Thermal analysis of a cylindrical lithium-ion batteryJElectrochem Acta，2011，56(3： 1246-1255 14

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17、，2010， 34(3：288-291(in Chinese 16 Subramanian V R， Boovaragavan V Mathematical model reformulation for lithium-ion battery simulations ： galvanostatic boundary conditionsJ Journal of The Electrochemical Society，2009，156(4：260-271 17 Meyer M， Komsiyska L， Lenz B， et al Study of the local SOC distribu

18、tion in a lithium-ion battery and electrochemical medeling and simulationJ Applied Mathematical Modeling，2013，37(4：2016-2027 18 Safari M， Delacourt C Mathematical modeling of lithium iron phosphate electrode：galvanostatic charge/discharge and path dependenceJJournal of the Electrochemical Society，20

19、11，158(2：63-73 19 Safari M ， Delacourt C Modeling of a commercial Graphite/LiFePO4 cellJJournal of the Electrochemical Society，2011，158(2：562-571 20 Hellwig C ， Sörgel S ， Bessler W G A muti-scale electrochemical and thermal model of a LiFePO4 batteryJ ECS Transactions，2011，35(32：215-228 21 任保福

20、，賈力，張竹茜，等大容量鋰離子動力電池熱 特性的實驗研究 C/ 中國工程熱物理學(xué)會傳熱傳質(zhì)學(xué) 術(shù)會議東莞：東莞理工學(xué)院，2012 Ren Baofu，Jia Li，Zhang Zhuqian，et al. A study on the thermal characteristic of the large capacity lithium-ion power batteryC/Academic conference of the Chinese Engineering Thermophysics Societys Heat and Mass TransferDongguan：Dongguan

21、Institute of Technology， 2012(in Chinese 收稿日期：2013-04-08。 作者簡介： 徐蒙(1985，男，工學(xué)碩士，主要從事 鋰離子動力電池實驗及仿真研究工作， 11121500； 徐蒙 張竹茜(1972，女，副教授，主要從事 動力電池及燃料電池電化學(xué)與傳熱特性研 究； 賈力(1963，男，教授，主要從事傳熱 傳質(zhì)及微尺度換熱研究； 楊立新(1969，男，副教授，主要從事 CFD 在能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究。 (編輯 李蕊 Extended Summary 正文參見 pp.54-61 Study on Electrochemical and Heat Tra

22、nsfer Characteristics of Cylindrical Lithium-ion Power Battery During Discharge Cycle XU Meng, ZHANG Zhuqian, JIA Li, YANG Lixin (Beijing Jiaotong University KEY WORDS: electric vehicle; lithium-ion power battery; electro-thermal model; thermal characteristics Lithium ion batteries now play an impor

23、tant role as portable energy devices in the consumer matket, where they have replaced NiCd and NiMH batteries in a big share of applications. In the future, the automotive industry will become another important field of application for Li-ion batteries as most of the car manufactures are planning to

24、 sell hybrid electric vehicles or full electric vehicles with Li-ion battery technology in the next years. However, the heat generation in a cell has a strong influence on performance and safe operation of Lithium-ion power battery. To study the temperature distribution and heat generation rate of a

25、 basic LiFePO4 lithium ion battery at various galvanostatic discharge rates, an electro-thermal mathematical model is developed where the mass, charge, and thermal transport processes are considered, as well as the electrochemical reaction phenomena. ìÑ × i1 + Ñ × i2 = 0 

26、39; a F a F ï jn = j0 exp( a h - exp(- c h RT RT ï ï ¶c1 1 ¶ ¶ c ï + (-r 2 D1 1 = 0 í ¶t r 2 ¶r ¶r ï ¶c S j ïe 2 2 + Ñ × J 2 = a n F ï ¶t ï ¶T 2 - lÑ T = qrea + qact + qohm ï r cp ¶t &#

27、238; In this model, a commercially available cylindrical Li-ion 38120 battery is considered, for which a 1-dimensional of the battery cell unit is resolved, and given in Fig. 1. The thermal characteristics predicted by Heat generation/W 1 Positive electrode Separator 2 Li+ 3 Negative electrode 4

28、60; Li Li+ Cu(- iapp Al(+ iapp Li+ e-   0 r dp x= 0 ds L dn Positive active particle Negative active particle Conductive additive Electrolyte Fig. 1 Schematic of a lithium-ion battery calculation domain 312 Temperature/K 308 304 300 0 2 4 6 8 Discharge capacity/Ah 10 Measured Simulated Fig. 2 Comparison of simulated results of battery surface temperature with experimental data lower discharge rate, while the ohmic heat is dominant under a higher discharge rate. A battery thermal management system is necessary under high discharge rate due to the higher temperature rise. The r