對60v鋰電池發熱特性的研究

【摘要】 鋰電池發熱特性的研究對于發展電池熱管理系統具有重要意義.本文采用數值方法對60v鋰電池放電過程中的微觀發熱特性進行了研究,并對鋰電池放電循環過程中固體電解質(SEI)膜和歐姆熱的變化規律進行了分析,研究結果 表明:鋰電池以高倍率(>5C)放電時,SEI膜產生的熱量是鋰電池發熱的重要部分;隨著放電循環的進行,60v鋰電池負極顆粒表面SEI膜以線性規律增厚,導致電池SEI膜電阻不斷增大;鋰電池放電環境溫度越高,鋰電池負極SEI膜增厚越快,容量衰退越快。

60v鋰電池具有較高的比能量、放電電壓和較好的循環壽命等優點， 被認為是純電動汽車（EV) 和混合電動汽車（HEV) 的最佳儲能設備之一。熱管理系統是保證大功率鋰電池組安全運行的核心技術之一， 溫度太高會導致鋰電池面體電解質（SEI) 膜的破壞， 從而縮短電池循環壽命， 并可能引起電池爆炸等安全問題。因此， 研究復雜工況條件下鋰電池工作的熱特性是開發電池熱控技術的基礎， 對于發展動力電池熱管理系統具有重要的科學指導意義。
目前， 對于鋰電池發熱特性的研究， 主要采用數值模擬和實驗分析。在等Doyle提出的電化學模型和等bernardi提出的電池能量方程的基礎上， 國內外學者已經發展了多個鋰電池熱電耦合模型， 如采用熱電耦合模型計算了鋰池在不同溫度下的放電特性， 并且分析了與溫度相關的參數對鋰電池放電特性的影響。
和采用熱電耦合模型對卷繞式鋰離子電池的溫度進行了計算， 并對其內部不同熱源的發熱量進行了詳細分析。j.vazquez-arenas等采用熱電耦合模型對方形鋰離子電池進行了模擬， 研究了電池溫度對其放電特性和鋰離子濃度分布的影響， 并對電池內部不同熱源的發熱量進行了定量分析。目前大多數文獻有關鋰電池熱特性的研究均采用熱電耦合模型， 但很少考慮到鋰電池的容量衰退問題。鋰電池在充放電循環過程中， 負極膜會由于的沉積逐漸增厚導致鋰電池內阻增大， 從而會引起鋰電池發熱率的顯著增加。等在鋰電池的熱電耦合模型中考慮了循環衰退問題， 分析了溫度對鋰電池容量衰退的影響， 但是其對鋰電池的容量衰退過程采用由實驗數據擬合函數， 建立的模型和研究結果僅適用于其研究的特定鋰電池， 缺乏通用性。等提出了包括鋰電池容量衰退過程的熱電耦合模型， 但其采用的正極活性物質的溶解僅在鋰錳電池中較為明顯， 不適用于鈷酸鋰和鐵鋰電池， 而且該研究未給出鋰電池循環過程中的熱量變化特性。
本文將同時考慮鋰電池循環過程中的放電特性、熱量特性和衰退過程， 對鋰電池在充放電循環過程中的熱量組成和熱量變化特性進行數值研究。

本文應用60v裡電池的熱電稱合模型， 并考慮了電池循環衰退過程中SEI膜的變化對電池產生熱量的影響， 詳細分析了鋰電池在循環過程中的熱量變化及溫度對鋰電池壽命的影響， 得出如下結論：
1、在60v鋰電池的高倍率（>5C）放電過程中，SEI膜產生的熱量是鋰電池發熱量的重要組成部分， 占總熱量的比率將超過14%；
2、隨著放電循環的進行， 鋰電池負極SEI膜將逐漸增厚， 且放電環境溫度越高，SEI 膜增長越快，容量衰退越快；
3、SEI膜的厚度和電阻隨放電循環次數的增大近似呈線性增大；
4、60v鋰電池放電過程中的SEI膜產生的熱量和溫升將隨放電循環次數的增加而逐漸增大。

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