锂离子电池电极放电深度分布和产热分布研究

锂离子电池电极上的电压和电流分布会导致电极各处产热率和放电深度的不同,进而影响整个单电池的温度分布和放电性能.通过构建锂离子电池电极模型,用以分析电压、电流、产热率、放电深度在锂离子电池电极上的分布.仿真结果表明:靠近极耳区域处的电压梯度及穿过隔膜电流梯度明显大于其他区域;电极上的产热率分布与穿过隔膜电流密度有关;在放电过程中会优先消耗靠近极耳处的活性物质,导致此处的放电深度一直大于平均值;锂离子电池电极放电深度一致性随放电时间增加而提高,而产热率分布一致性则会出现交替增大、减小现象.     

单体锂离子电池充放电数值仿真与试验

基于锂离子电池生热模型和材料热物性参数,建立了锂离子电池充放电热行为热模型。进行了单体电池不同倍率放电及充放电循环下的瞬态热行为数值仿真。结合电池充放电过程温升曲线测试,验证了锂离子电池数值仿真模型。研究结果表明:单体电池最高温度位于正极柱,最低温度位于壳体顶部。随着电池放电倍率的增大,电池温度升高,单体温差增大。电池外壳材质对热模型传热效果具有一定的影响,锂离子电池电极连接部位温升显著。     

平面热管与液冷作用下锂离子电池热管理系统散热特性

锂离子电池的工作温度需要保持在合适的范围内,才能获得更好的性能和更长的使用寿命。本文提出了一种平面热管与液冷相结合的锂离子电池热管理系统,通过搭建的锂离子电池发热功率测试平台确定不同放电倍率下单体电池的发热功率,建立热管理系统三维有限元模型,分析不同放电倍率、冷却液流量及冷却液流动方向对散热性能的影响。结果表明,在3 C放电倍率下,最高温度可以控制在50 ℃以下。与相同进液方向相比,不同进液方向下电池包最大温差降低了17.30%。     

基于红外热成像技术的锂离子电池热特性试验研究

为了深入研究锂离子电池在工作状态下的热特性,通过试验与理论分析手段,结合红外成像技术与非接触式可视化观测方法,研究了锂离子电池单体在不同放电倍率下的表面温度分布特征及不同荷电状态(State of charge,SOC)下的温度均衡性和不同测量点的温升特性。结果表明:锂离子电池极耳附近区域为主要的产热源,且放电倍率越高,产热量越大;电池温度上升越快,最高温度越高,电池温度均衡性越差; 1C放电时,电池表面的温度梯度以多个类半圆形温区呈现;并以正极区为圆心向整个电池扩展; 2C放电时,初期形成的两个半圆形温区重合为一个以圆弧为下边的类矩形温区,直至扩展到电池下边缘;不同放电倍率下,电池温升速率均呈现先减小后增大的趋势。根据以上分析及研究成果,可以合理改进电池单体结构,设计电池组或电池包散热方案,提高锂离子电池在工作过程中的高效性和安全性。     

基于液冷的锂离子动力电池散热结构优化设计

针对锂离子电池单体成组后温度场的非均匀性导致的热不一致性问题,以及高温下电池单体间的热交互引发的热安全性问题,采用仿真与试验相结合的方式,基于锂离子电池生-传热机理,设计了电池单体单独成组、电池单体之间夹隔泡沫棉、电池模组底部布置液冷板3种递进式散热方案,并对液冷板进行了优化设计.采用有限元软件STAR-CCM+,仿真分析了3种方案下电池模组在不同放电倍率时的温度分布.结果表明:增加泡沫棉可减少电池间的热交互,进而提高电池单体间的热均衡性.在结合泡沫棉、导热板以及优化后(采用液冷管道串-并联组合方式)的液冷系统散热条件下,电池模组以2C倍率放电时最高温度为35.08℃,最大温差仅为4.85℃.研究结果可为电池热管理散热系统结构设计提供一定的理论基础.     

过充电条件下锂离子电池热失控数值模拟

采用数值模拟方法研究了过充电流（1C、2C、3C和4C）对三元锂离子电池热失控行为的影响.基于多物理场耦合方法建立了过充电条件下锂离子电池三维电-热耦合模型,对电池发生热失控的临界时间,临界温度以及热分布进行了模拟计算.模拟结果与试验测量结果符合较好,各个测试点处的温度和热失控临界点的误差小于8%.过充电流对锂离子电池热失控的临界温度、临界时间以及电池内外部温差有较大影响:过充电流越大,电池发生热失控的时间越短,临界温度越高,区域温差越大,内外部温差越大.      

基于有限元分析的动力锂离子电池生热特性研究

针对电动汽车用动力锂离子电池的热安全性问题,以某11 Ah动力锂离子电池为例,进行有限元建模分析,分别对锂离子电池单体在不同充放电倍率、不同环境温度以及不同散热条件下的发热情况进行了分析.结果表明,锂电池放电倍率越高温升越高且温度分布越不均匀,良好的散热模式有助于电池温升的抑制和提高电池的热稳定性.定量化的计算仿真结果符合实际,研究结果为该类电池的建模与仿真提供了借鉴和参考,对锂电池单体的设计优化及锂电池热管理系统的研发具有指导意义.     

基于多尺度、电化学-热耦合模型的锂离子电池生热特性分析

为实现精确的电池热管理,选取正、负极材料分别为LiyMn_2O_4和LixC_6的层叠式锂离子电池为研究对象,建立了微观-宏观尺度耦合、电化学-热耦合模型,分析了不同放电倍率下单体电池的放电特性及电池包的平均温升、单体电池内部生热机理及变化特性,并详细定量分析了生热量各组成部分所占的比例及变化.分析结果表明:高放电倍率下,电池放电性能变差,温升显著提高,5C放电倍率下,温度升高63,℃.低放电倍率下,可逆热是主要的生热来源,高放电倍率下,液相中的欧姆热是主要的生热来源;相比之下,负极生热量最高,其主要来源于负极的可逆热,隔膜中所占百分比次之,正极最少,其主要来源于正极的不可逆热和欧姆热.     

3类锂离子电池多孔电极模型比较研究及电池正向设计应用

锂离子电池的电极由活性物质、黏结剂、导电剂等多种固相材料及灌注其孔隙间的液态电解质组成。通过优化电极的微观多孔结构可提高电池内部锂离子与电子两类主要载流子的有效传输速率,从而有效提升电池能量密度、功率密度。基于多孔电极模型的正向设计方法正逐渐取代传统的试错方法被广泛应用于产业界,但以往的模型难以在计算量与性能预测精度上取得平衡。该文提出了扩展均相多孔电极模型,该模型可以有效地在计算负荷与性能预测精度上实现较好的平衡。比较了3类锂离子电池多孔电极模型——经典准二维均相模型、作者团队开发的非均相模型、该文提出的扩展均相多孔电极模型在计算时间以及电极结构描述精度上的差异,并就不同研发场景下的模型选择给出了具体建议。利用扩展均相多孔电极模型分析了一例电池正向设计的典型问题,即负极活性颗粒粒径选择及其对电池性能的影响,结果发现:提高负极颗粒粒径分布集中度、降低颗粒粒径大小可有效改善电池内部离子在电解液以及活性颗粒内部的有效传输速率,可使得电池在不同倍率条件下的放电容量提升25%(低倍率)至100%(高倍率)。     

碳纳米管作导电剂对LiFePO4锂离子电池性能的影响

考察添加碳纳米管作导电剂对LiFePO4锂离子电池性能的影响.采用液态锂离子电池工艺制备063048型LiFePO4锂离子电池,利用XRD,SEM及充放电方法对电池电极的结构、表面形貌和电化学性能进行表征和测试.研究结果表明:添加碳纳米管作导电剂的极片压实密度与未添加的相比提高了5%,同时也形成了良好的导电网络,电池内阻较小,电池首次放电容量达到131.8 mA·h/g,而未添加碳纳米管的首次放电容量为124.6 mA.h/g;添加碳纳米管作导电剂电池的循环性能较好,120次循环后容量几乎没有衰减,而未添加碳纳米管的电池经120次循环后容量保持率为94.1%.添加碳纳米管作导电剂电池的倍率性能优异,其6C的放电容量是0.5C的81.8%(其中,C为电流倍率),未添加碳纳米管的电池6C的放电容量是0.5C的75%.添加碳纳米管作导电剂的电池,电极界面阻抗比未添加碳纳米管的电池的界面阻抗小.     

双层布置锂离子电池组散热性能分析

为解决锂离子电池组充放电温度过高及温度分布不均的问题,建立了锂离子电池组空气冷却散热模型,对在不同进风速度、温度及放电倍率条件下的双层布置锂离子电池组散热进行了计算。结果表明:进风速度增大,电池组最高温度与温差下降,散热性能增强,当进风速度超过2 m/s时,电池组散热性能强化趋势减弱;进风温度降低,电池最高温度降低,但温差变化不明显;电池组放电倍率增大,电池组最高温度以及温差急剧上升,散热性能降低。     

温度及放电倍率对电池性能影响的实验研究

动力锂离子电池的SOC-OCV关系曲线,库伦效率、温度、放电倍率对电池内阻、电压一致性影响和放电倍率与温度的关系特性是动力电池组成组技术和均衡管理的重要参数。通过充放电实验,测得电池SOC-OCV关系、库伦效率-放电电流关系曲线,并通过8阶拟合,可以较准确地反映SOC-OCV函数关系。不同电池单体内阻随温度变化的变化率不同,某个温度下阻值相近的电池单体在其它温度下差异可能较大,极化内阻较欧姆内阻更为明显;电池放电倍率越大,电池组中电池电压的一致性越差。电池的最高温度与放电倍率有关,正极处的温度最高,负极温度与正极的温度差随着放电倍率的增大而增大。     

锂离子电池正极材料Li1+xV3O8的制备及动力学研究

采用二次缩合溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料Li1 xV3O8,首次放电容量达330 mA.h/g,循环15次后容量衰减7.6%。测试不同温度下放电时正极材料Li1 xV3O8中Li 的扩散系数DLi ;从动力学角度研究了温度放电倍率密度对电池性能的影响。结果表明,随着温度的增加,DLi 增大,比容量相应增大;当以0.02 C的放电倍率放电时,电容量较高,以0.08 C的放电倍率放电时,电容量衰减约50%。     

低温环境对动力锂电池放电特性影响

针对锂离子电池在新能源汽车上的应用前景及其低温条件下的性能限制,尝试对锂离子电池在低温条件下进行放电实验,探讨其在低温条件下的放电性能.本文利用烤燃设备对5Ah锂离子电池充电、放电,通过示波器记录其端电压,观察低温时锂离子电池端电压的变化情况.实验后,静置24小时,测量锂离子电池电压恢复情况.然后对实验数据进行整理分析,通过取点绘制曲线,分别比较0.5C、1.0C放电电流情况下和-20~20℃各温度下锂离子电池的放电性能.综合分析可知,随着温度的降低,锂离子电池的放电性能变差;随着放电倍率的提高,电池的放电容量逐渐减小.     

锂电池性能与温度相关性的基础实验研究

为综合分析影响电池性能的热环境因素,利用恒温油浴工况、近似绝热工况分别模拟有无热管理措施的动力电池组工作热环境,对松下18650锂电池进行了充放电性能与温度相关性的基础测试,研究了电池工作热条件、电池状态及放电倍率对其充放电性能的影响。研究结果表明:无论在何种热条件下,电池充电容量总是小于上次放电容量;当充电温度低于20℃时,电池充电容量随着充电温度的降低迅速衰减,若前一次放电倍率为0.5C、充电温度从20℃降至-10℃时,充电容量衰减12%;较高的放电温度能有效抵消电池大倍率放电引起的容量损失,当电池在40℃环境中以2C倍率电流放电时,其容量衰减仅为3.7%;当电池放电倍率较小,且工作温度高于30℃时,温度对电池放电性能的影响逐渐减小;环境温度较低时,电池放电容量随温度降低迅速衰减,当电池放电温度为-10℃时,其2C倍率放电容量衰减高达50%。本研究期望对高效、可靠及合理的电池热管理系统的设计提供理论依据。     

恒功率放电下锂离子电池的产热特性

恒功率放电是电池实际运行工况中的典型放电方式,其放电过程中的产热对电池的性能和安全运行有重要影响。为了研究恒功率放电方式下电池的产热特性,首先建立了电化学-热耦合模型;然后通过实验验证了模型的合理性;最后分析了放电过程电池内部集流体、正负极和隔膜各层的产热特性,讨论了放电功率和正极电极厚度对电池内部各层产热量的影响。结果表明:在放电过程中负极产热率的变化程度最大;放电功率对各层产热量占总产热量的比值影响不大,其中正极产热量所占的比值最大(不同放电功率下的占比均在70%以上);增大正极电极厚度可降低电池的产热量,但随着电极厚度的增大,其影响效果会降低。     

基于无机超导热管的车用锂离子电池组散热性能

针对目前车用锂离子电池散热困难等问题,以10A.h车用动力锂离子电池组为研究对象,基于无机超导热管散热方法建立电池组三维热仿真模型,在不同工况下对用不同直径的无机超导热管进行模拟仿真。仿真结果表明:达到稳定状态后,无机超导热管散热方式能确保电池单体的温度控制在20~50℃;当放电电流为10 A且放电时间为10 min时,无机超导热管散热后的车用锂离子电池温度不超过48℃,散热效果较好,满足设计要求。     

锂离子电池的热效应分析

以26650型圆柱形磷酸铁锂离子电池为原型,建立电化学-热耦合模型。研究放电倍率对电池热行为的影响。结果表明:低倍率下电池处于吸热状态,电池内部温度反而低于外部;高倍率下电池一直是放热状态,内部温度一直高于外部。为了控制高倍率放电过程中电池模块的温度,比较讨论风冷散热和相变材料散热系统,最终发现具有0.01 m/s的微胶囊型相变材料散热系统降温效果最为显著,电池模块温度被控制在50℃以下。     

基于液冷的锂离子电池组热均衡性研究

为了改善车用锂电池模组在高温高倍率工况下的热均衡性,根据圆柱形锂电池的传热特性,建立了18650锂电池单体的三维热模型,并完成40 °C环境自然对流下的热特性仿真,并通过温升试验验证了生热模型的可靠性. 在此基础之上,针对某型纯电动汽车的动力电池组,提出了一种夹套式电池模组冷却系统,利用Fluent研究了40 °C环境下冷却液流量、冷却液温度和放电倍率对电池组散热均衡性的影响. 结果表明:增加冷却液流量可以有效降低电池组最高温度、最大温差及电池自身温差,改善电池间的温度均匀性;但当入口流量增至0.03 kg/s后,对电池组散热性能的改善效果十分有限;降低冷却液温度后,电池组最高温度下降,但电池组最大温差与单体电池间温差不断上升,单体电池自身最大温差略有降低;当放电倍率增大时,电池组最高温度与最大温差均不断上升,单体电池间温差以及电池自身温差显著增大,电池组热均衡性变差.      

动力锂离子电池充电过程热模拟及影响因素灰色关联分析

针对不同充电工况,建立动力锂离子电池充电过程三维热模型,并对不同对流传热系数、辐射系数、环境温度和充电电流等影响因素下动力锂离子电池充电过程产热和散热机理进行模拟.研究结果表明:动力锂离子电池内部升温速率在充电电流增大到某值前基本不变,随后将随充电电流增大而增大;环境温度越高,充电完毕后动力锂离子电池内部温度越高;强制换热时,辐射系数的变化对电池内部温度影响不大,而自然对流换热时,热辐射对内部温度影响明显;充电电流关联度(0.792 53)＞环境温度关联度(0.658 04)＞对流换热系数关联度(0.633 88)＞热辐射系数关联度(0.511 03).