锂离子电池温度变化仿真与验证研究

研究背景

随着国家对新能源汽车行业的重视与引导，我国锂离子电池行业的规模得到迅猛发展，目前已经超越韩国和日本，跃居全球首位。锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、单体额定电压高，自放电率低等优点，已经成为动力电池的首选。锂离子动力电池在放电过程中会产生大量的热，导致温度的上升，影响到电池本身的充放电性能与循环寿命，严重时会涉及其安全性与可靠性，不少学者已经对电池的产热机理和产热模型进行了深入的研究分析，但是针对电池在不同放电倍率下的瞬态生热很少涉及，这对分析电池放热量以及放电过程温度变化有指导意义。

目前根据锂离子电池产热模型方面发展，按照产热原理可以分为电化学-热耦合模型、电-热耦合模型和热滥用模型。电化学-热耦合模型是从电化学反应生热的角度建立的热模型，使用最广泛的是BERNARDI等在1985年提出的电池生热基本理论，将电池生热分为可逆反应热（熵热）和不可逆热过电压（V-U）引起的，其中不可逆热包含电池的极化热和欧姆内阻产热[5]。很多学者对Bernardi生热速率0模型进行进一步研究和分析，构建了不同维度的生热模型，如集中质量模型、一维模型、二维模型、三维模型。电-热耦合模型是根据电池内部的电流密度分布建立的热模型，多使用在二维或三维温度场分析，便于改进电池外型、极耳、集流体等的设计以及研究电池的一致性问题。热滥用模型是为了研究电池在热滥用条件下达到失控状态时的变化，一般是在传统热模型的基础上耦合内部的生热反应。

根据Bernardi电池生热理论公式简化得到的集中质量模型，电池生热中的欧姆内阻产热和极化热可以通过内阻测试并计算得到，比较难以确定的是可逆反应热部分，影响可逆反应热变化的是熵热系数（dE/dt）。目前很多学者进行了关于熵热系数的分析和研究，研究方法有直接测量法、可逆热等值法、极化热扣除法3种。直接测量法需要大量测试时间，测量结果的精度也会受到影响。本文通过0.5 C放电倍率下的电池绝热温升实验计算出电池生热率曲线，并根据极化热扣除法扣除不可逆热部分求出可逆反应热，计算出瞬态熵热系数。根据电池内阻随温度和DOD的变化关系，以及熵热系数随DOD的变化关系，建立了生热率随时间不断变化的集中质量生热模型，模拟不同放电倍率下的温度变化。仿真结果与实验相符合，表明其能够模拟电池单体在放电过程的温度场变化，特别是针对小倍率放电中期的温度场变化比较明显，为电池单体热仿真和电池包热管理的过程控制提供指导。

创新点及解决的问题

针对软包锂离子电池放电过程中温度变化过程进行研究，依据电池产热基本理论，通过内阻实验及0.5 C放电倍率下的温升实验计算出瞬态生热率曲线，得出电池熵热系数，建立生热速率随放电深度不断变化的瞬态生热模型，基于该模型进行不同放电倍率的温度仿真模拟，并与实验进行对比。结果表明，温度变化模拟结果与实验相吻合，生热率变化模拟结果与实验计算值相符合，模型可以很好地模拟电池在不同放电倍率下的温度变化，对电池温升过程分析及电池热管理过程控制具有指导意义。

重点内容导读

1  实 验

1.1 研究对象

图1  锂离子电池单体

表1  锂离子电池规格参数

1.2  实验测试

1.2.1  内阻测试

图2  不同温度下的内阻

图3  内阻、温度和放电深度的拟合曲面

1.2.2  温升测试

1.2.3  温降测试

图4  温升实验测试图

图5  静置温降变化图

2  热模型

2.1  电池生热模型

2.2  热物性参数

2.3  熵热系数

图6  0.5 C放电倍率下的瞬态生热曲线

图7  熵热系数随DOD变化图

3  结果对比

（d）3 C

图8  不同放电倍率下温升曲线对比

d）3 C

图9  不同放电倍率下生热率曲线对比

图10  不同放电倍率下的生热率平均值对比

4  结 论

本文依据电池产热基本模型，根据0.5 C放电倍率下的温升实验计算出电池瞬态熵热系数，建立生热率随放电深度不断变化的瞬态生热模型，基于该模型进行不同放电倍率的温度仿真模拟，并与实验进行对比验证，结果表明。

1）该模型可以很好地模拟电池在不同放电倍率下的温度变化以及生热速率的变化，展现电池温度在小倍率放电过程中的非线性变化特征。

2）电池在放电过程中熵热的波动影响电池温度的变化，在小倍率放电中期，熵热出现吸热反应，造成电池放电过程中温度的降低，电池熵热系数的变化范围约为-0.85～0.05 mV/K。

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