如何利用仿真技术构建更安全的锂离子电池热管理系统.doc
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1、如何利用仿真技术构建更安全的锂离子电池热管理系统锂离子电池因其重量轻、能量密度高、无污染等特点,成为了电子产品、交通运输、航空航天等各领域中应用最为广泛的电池类型。然而锂离子电池在充放电过程中若使用不当,可能会引发热失控,进而发生燃烧、爆炸等严重的安全事故(图 1)。因此,锂离子电池热安全成为了电池行业的研究热点。图 1. 手机电池发生燃烧。作为中国唯一的火灾科学基础和应用基础研究的国家级重点研究机构,中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室(以下简称“火灾实验室”)使用 COMSOL 软件创建了锂离子电池的电化学-热耦合模型,并根据仿真结果研发出了一种用于锂离子电池系统散热及防止热失控传播的复
2、合板,大幅提升了锂离子电池的热安全性能。锂离子电池产热规律的仿真及实验分析许多电池安全事故都是由电池短路引起的。当电池短路时,过大的电流会在电池内部产生大量的热量,导致电池的温度急剧上升。过高的温度会引发电池内部严重的热失控,造成电池燃烧,甚至爆炸。因此,对电池内部热量产生过程的分析是锂电池安全性研究中十分重要的部分。为了能够对电池(组)进行有效的热管理,提高电池的安全性,火灾实验室的研究人员选取了商用的钛酸锂软包电池作为实验对象,通过实验和仿真两种方法对锂离子电池循环充放电的产热过程和热量分布进行了研究。研究人员首先使用 COMSOL 多物理场仿真软件建立了电池的三维电化学模型,模型耦合了电
3、场和温度场,可用于探究电池内部及表面的温度变化。为了验证模型的准确性,研究人员对电池表面的温度进行了实际测量。研究人员将锂电池放置到绝热加速量热仪(ARC)中,然后利用充放电循环仪对电池进行循环充放电,并用热电偶记录电池表面的温度变化。通过比较仿真和测量得到的电池表面温度数据,研究人员可以深入了解模型参数设置的合理性。图 2 显示了使用仿真及实验方法得出的锂离子电池温升曲线,实线为绝热条件下的实验测试结果,虚线为无冷却条件下的仿真结果。在隔绝热量交换的条件下,当电池以1.0C(C 为充放电倍率,用于描述相对于电池额定容量的充放电速率) 进行充放电循环时,电池温升的仿真结果与实验数据完美契合,很
4、好地模拟了电池的产热过程,为后续电池热失控的研究提供了基础。图 2. 绝热 1.0 C充放电循环条件下锂离子电池温升的实验值与模拟值对比图。研究人员接着对自然对流条件下不同充放电倍率时电池的温升进行了研究,自然对流条件下不同充放电倍率时电池温升的对比见图 3。可以看出,随着电池充放电倍率的增加,电池的温升明显增大。这主要是因为电化学反应产热与焦耳热呈正比,并与电流的平方呈正比。研究人员同时对充放电循环中产生热量最高的阶段进行了分析。从温度变化曲线可以看出,电池出现了两个温度峰:一个温度峰对应的是放电过程和充电过程之间的转换阶段,主要是因为放电阶段产热速率大于充电阶段;另一个温度峰对应的是恒压充
5、电末期,由于负极嵌锂接近饱和,内阻增大,产热更多。图 3. 自然对流条件下不同充放电倍率时电池温升的对比。锂离子电池热失控分析电池在实际热失控过程中,由于温度过高会产生很多副反应,而这些副反应的产热是热失控过程后期的主要热源,但现有的很多热失控模型并未考虑到这部分化学反应产热。研究团队综合考虑了不同荷电状态(state of charge,简称SOC)下电池系统可能的反应特性和产热特性,将其耦合到电池的热平衡方程中,并对一维电化学模型和三维热模型进行联合,建立了耦合化学反应热的热失控模型。研究人员在 COMSOL 软件中模拟了电池发生热失控的过程,得到了电池内部温度变化历程、电池发生热失控的时
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