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锂离子电池产热规律的仿真及实验分析

来源：测试GO 时间：2022-11-11 11:08:10 浏览：2529次

锂电池热管理系统，是基于高温环境对电池特性产生的热作用，根据电池的电化学特点和产热原理，基于具体电池的最高充放电温度区间，经过科学合理的研究制定,建立在材料学、电化学、传热学、分子动力学等多专业的学科基础上，为克服动力电池在环境温度过高或过低条件下运行时所产生热散逸或发热失控等现象，从而改善动力电池总体特性设计的一种新工艺。

很多的电池安全事故，都是由于电池短路所造成的。在电池短路时，过大的电压就会在电池里面形成巨大的热能,使得电池的工作温度迅速地提高。过高的工作温度会导致电池内部严重的高温失控，从而导致电池完全烧毁，乃至自爆。所以，对动力电池的能量产生机制的研究是锂电池可靠性研究的非常关键的方面。为了可以对动力电池(组)实施合理的热控制，进一步提高动力电池的稳定性，火灾实验室的科研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。

科研人员首先使用COMSOL 多物理场仿真软件建立电池的三维电化学模型，模型耦合了电场和温度场，可以观察电池内部及表面的温度变化。为验证模型更具有准确性，科研人员对电池表面的温度进行了实际测量。科研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，科研人员可以深入了解模型参数设置的合理性。

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

【注：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】

上图显示了使用仿真及实验方法得出的锂离子电池温升曲线。在隔绝热量交换的条件下，当电池以 1.0 C进行充放电循环时，电池温升的仿真结果与实验数据刚好契合，完美地模拟了电池的产热过程，为后续电池热失控的研究奠定基础。

自然对流条件下不同充放电倍率时电池温升的对比

科研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上图。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电末期，由于负极嵌锂接近饱和，内阻增大，产热更多。

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