王麗娜， 楊 凱， 劉 皓， 惠 東， 張慧卿

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；2.北京化工大學(xué)圖書(shū)館，北京100029)

軟包裝鈦酸鋰電池放電過(guò)程熱行為研究

王麗娜1， 楊 凱1， 劉 皓1， 惠 東1， 張慧卿2

(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；2.北京化工大學(xué)圖書(shū)館，北京100029)

以軟包裝鈦酸鋰電池為研究對(duì)象，基于數(shù)值傳熱學(xué)，采用有限元技術(shù)，模擬計(jì)算軟包裝鈦酸鋰單體電池表面溫度變化情況，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此模擬計(jì)算方法在預(yù)測(cè)單體電池放電過(guò)程中熱行為的可行性。在此基礎(chǔ)上，分析軟包裝鈦酸鋰電池在恒流放電過(guò)程中不同放電倍率、不同外界換熱條件下熱行為的變化規(guī)律。該研究結(jié)果為軟包裝鈦酸鋰電池成組集成熱設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

軟包裝鈦酸鋰電池；有限元技術(shù)；溫度變化；換熱方式

目前，以鈦酸鋰為負(fù)極的新型鋰離子電池，突破了石墨作為負(fù)極所固有局限性，其某些性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的鋰離子電池，具有長(zhǎng)壽命、高倍率充放電等特性，已成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。外部采用多層塑料復(fù)合薄膜的軟包裝電池比能量高、安全性能好、質(zhì)量輕，以軟包裝鈦酸鋰電池作為儲(chǔ)能單元，在電動(dòng)汽車及電力儲(chǔ)能領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景[1－3]。

但是在應(yīng)用過(guò)程中，軟包裝鈦酸鋰電池高倍率充放電必然會(huì)連續(xù)釋放出大量的焦耳熱與化學(xué)反應(yīng)熱，在電池成組集成系統(tǒng)中，大量熱量在狹小空間內(nèi)累積會(huì)引起熱失控；同時(shí)，電池副反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氣體，引起脹氣現(xiàn)象，電池發(fā)熱會(huì)加劇自身變形，導(dǎo)致電池性能與壽命下降，因此，需要對(duì)軟包裝鈦酸鋰電池放電過(guò)程進(jìn)行熱行為研究[4－6]。

本文針對(duì)軟包裝鈦酸鋰電池，通過(guò)鋰離子電池的產(chǎn)熱原理，基于數(shù)值傳熱學(xué)，采用有限元模擬方法，分析電池在不同放電倍率、不同外界換熱條件下熱行為的變化規(guī)律，為研發(fā)高性能的軟包裝鈦酸鋰電池成組集成系統(tǒng)提供參考依據(jù)。

1 鋰離子電池的產(chǎn)熱原理

鋰離子電池是由Li+嵌入和脫逸正負(fù)極材料所構(gòu)成的電池。充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解液嵌入到負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，正極處于貧鋰狀態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到負(fù)極以確保電荷平衡。放電時(shí)則相反，Li+從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解液嵌入到正極材料中，正極處于富鋰狀態(tài)。

由鋰離子電池的工作原理可知電池在正常工作中的生熱主要包括電流克服電池自身內(nèi)阻的生熱、由于大電流充放電造成的化學(xué)物質(zhì)不均勻而產(chǎn)生的極化內(nèi)阻的生熱以及化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的吸熱/放熱[7－8]。

根據(jù)Bernardi等提出的電池生熱如式(1)所示。

2 模擬計(jì)算方法

本文研究的對(duì)象是容量為20 Ah的軟包裝鈦酸鋰電池，正極材料為鎳錳鈷酸鋰，負(fù)極材料為鈦酸鋰，額定電壓為2.3 V。

2.1 計(jì)算域

建立20Ah軟包裝鈦酸鋰單體電池計(jì)算域，如圖1所示。為簡(jiǎn)化計(jì)算，提高模擬計(jì)算的收斂性，現(xiàn)做如下假設(shè)：(1)電池內(nèi)部各種材料具有同性且物理性質(zhì)均一；(2)電池內(nèi)部電解液流動(dòng)性很差，忽略其內(nèi)部對(duì)流換熱影響；(3)電池內(nèi)部發(fā)熱均勻；(4)忽略電池表面輻射換熱，即只考慮電池內(nèi)部的導(dǎo)熱和熱耦合邊界處的對(duì)流換熱。

圖1 20 Ah的軟包裝鈦酸鋰單體電池計(jì)算域

20 Ah軟包裝鈦酸鋰單體電池物性參數(shù)分別為：

導(dǎo)熱系數(shù)2.97 W/(m·K)、比熱容1 131 J/(kg·K)、密度2 400 kg/m3。

2.2 控制方程及定解條件[9]

電池內(nèi)部主要為熱傳導(dǎo)，其三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱控制方程可表示為：

其定解條件為第三類邊界條件：

2.3 網(wǎng)格劃分及計(jì)算方法

利用CFD軟件STAR-CCM+，采用Thin-mesher和Polyhedral-mesher相結(jié)合的形式將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列的控制容積，每個(gè)控制容積內(nèi)設(shè)有一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，將控制方程在控制容積內(nèi)進(jìn)行積分導(dǎo)出離散方程。區(qū)域剖分后其單元體網(wǎng)格數(shù)為10 565個(gè)，面網(wǎng)格數(shù)為39 492個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為25 368個(gè)。計(jì)算采用三維隱式非穩(wěn)態(tài)分離式求解方法。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為3 s，每步內(nèi)迭代為20次。電池網(wǎng)格圖如圖2圖3所示。

圖2 電池網(wǎng)格圖

圖3 電池內(nèi)部網(wǎng)格分布圖

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用絕熱加速量熱儀，在電池表面放置高精度熱電偶，在絕熱條件1C恒流放電下測(cè)量電池的表面溫度及內(nèi)部發(fā)熱量。模擬計(jì)算中在電池相同位置設(shè)置溫度監(jiān)控點(diǎn)，記錄溫度隨時(shí)間的變化曲線。其實(shí)驗(yàn)與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖4所示。其誤差＜0.1℃，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很好的一致性，驗(yàn)證了此模擬計(jì)算方法在預(yù)測(cè)電池單體恒流放電過(guò)程熱行為的可行性。

圖4 1C倍率放電下溫度變化實(shí)驗(yàn)值與模擬計(jì)算值對(duì)比圖

3 結(jié)果分析

(1)絕熱條件

利用絕熱加速量熱儀測(cè)量電池在絕熱條件下的溫度變化情況，從圖5可見(jiàn)放電倍率1C、2C、3C下放電末期電池表面溫度分別達(dá)到26.5、27.5、29℃，最高溫升分別為：7.5、8.5、10℃。放電倍率越高，電池溫度變化率越大，電池內(nèi)部發(fā)熱量也越高。對(duì)于鈦酸鋰電池，其具有高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)(2×10－8cm2/s)，與炭負(fù)極材料鋰離子電池相比，高倍率充放電是其一顯著優(yōu)勢(shì)。由圖5可知倍率越高電池表面溫度變化率越大，其內(nèi)部產(chǎn)生的發(fā)熱量也越高。如果不進(jìn)行有效的散熱，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度過(guò)高，從而發(fā)生熱失控，造成安全事故。

圖5 絕熱條件1C、2C、3C倍率放電下電池表面溫度變化圖

(2)空氣冷卻散熱

由圖6可見(jiàn)，在放電倍率1C、2C、3C下，不同空氣冷卻方式對(duì)冷卻效果有不同影響。相對(duì)于自然冷卻[=5 W/(m2·K)]，強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻[=25 W/(m2·K)]能夠明顯地降低電池表面溫度。在放電倍率為1C、2C、3C放電末期，自然冷卻[=5 W/ (m2·K)]電池表面溫度分別達(dá)到22.5、25、27℃，溫升為3.5、6、8℃，強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻[=25 W/(m2·K)]電池表面溫度分別達(dá)到20.2、21.5、22.6℃，溫升為1.2、2.5、3.6℃。相同倍率下，放電末期，強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻電池表面溫度比自然冷卻電池表面溫度分別降低2.3、3.4、4.1℃。

圖6 不同對(duì)流條件1C、2C、3C倍率放電下電池表面溫度變化圖

由實(shí)驗(yàn)可知1C、2C、3C倍率放電下電池最大發(fā)熱量分別為2.3、5.9、8.5 W，電池表面積為765.9cm2，則電池最大熱流密度分別為0.3×10－2、0.8×10－2、1.1×10－2W/cm2，結(jié)合上述模擬計(jì)算結(jié)果及傳熱學(xué)溫升與熱流密度關(guān)系[9]如圖7所示可知，外界環(huán)境20℃自然對(duì)流條件放電倍率≤3C下，電池溫升范圍在2.5～10℃間，同時(shí)外界環(huán)境20℃強(qiáng)制對(duì)流條件放電倍率≤3C下，電池溫升范圍在1～4℃間。鋰離子蓄電池工作溫度范圍在0～40℃之間，由此可知，在外界環(huán)境20℃放電倍率≤3C下，自然對(duì)流冷卻方式即可滿足其工作溫度要求。

圖7 溫升與熱流密度曲線圖

4C、5C倍率放電下電池最大發(fā)熱量分別為15.4和24 W，最大熱流密度分別為2×10－2、3×10－2W/cm2。由圖7可知，在自然冷卻條件和強(qiáng)制對(duì)流條件下，4C倍率放電下電池溫升分別在18～50℃和3～7℃間，5C倍率放電下電池溫升在24～60℃和3.5～8℃間。由此可知，在＞3C的高倍率放電下，必須采用強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻方式。

空氣冷卻散熱方式對(duì)于軟包裝鈦酸鋰電池成組集成熱設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，雖然冷卻能力能夠滿足電池工作溫度要求，但是其溫度均勻性較差，且由于電池軟包裝特性，成組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中固定安裝存在一定難度。

(3)冷板散熱

鈦酸鋰電池由于其自身特性的原因，材料與電解液之間容易發(fā)生相互作用并在充放電循環(huán)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生氣體析出，對(duì)于軟包裝鈦酸鋰電池來(lái)說(shuō)由于其本身沒(méi)有外部支撐，容易由脹氣導(dǎo)致鼓包自身產(chǎn)生形變，導(dǎo)致電池性能與循環(huán)壽命下降，影響電池組的一致性，同時(shí)也存在安全隱患。

冷板散熱指空冷式冷板散熱，主要是金屬導(dǎo)熱條作為導(dǎo)熱板將電池?zé)崃客ㄟ^(guò)側(cè)板直接傳遞給底板，再使用風(fēng)機(jī)給底板散熱。其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 軟包裝鈦酸鋰電池冷板散熱結(jié)構(gòu)

圖9為冷板散熱條件下[冷板為鋁板，空氣對(duì)流換熱系數(shù)h=25 W/(m2·K)，環(huán)境溫度20℃]，倍率(1C、2C、3C)放電下軟包裝鈦酸鋰電池表面溫度變化曲線。1C、2C、3C倍率下放電末期電池溫度達(dá)22、22.5、23℃，溫升分別為2、2.5、3℃，其冷卻效果與強(qiáng)制對(duì)流冷卻方式相同，可滿足軟包裝鈦酸鋰電池高倍率放電冷卻散熱要求。

圖9 冷板散熱條件1C、2C、3C倍率放電下電池表面溫度變化圖

冷板散熱方法對(duì)于軟包裝鈦酸鋰電池不僅可以實(shí)現(xiàn)電池冷卻，其溫度均勻性高，還可以根據(jù)實(shí)際情況采用高導(dǎo)熱材料直接貼在物體表面，達(dá)到強(qiáng)化散熱效果，同時(shí)冷板散熱也可為軟包裝鈦酸鋰電池提供外部支撐、固定加緊等作用。

4 結(jié)論

基于數(shù)值傳熱學(xué)，采用有限元技術(shù)，對(duì)電池在不同放電倍率、不同外界換熱條件下的熱行為變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出軟包裝鈦酸鋰電池在放電倍率≤3C情況下，自然空氣冷卻使電池表面溫升在2.5～10℃范圍間，可保證電池在最佳工作溫度范圍，但在高倍率(＞3C)情況下，電池表面溫升＞18℃,需采用強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻或冷板散熱。冷板散熱與強(qiáng)制空氣對(duì)流冷卻能力相當(dāng)，但針對(duì)電池軟包裝特性，冷板結(jié)構(gòu)可為其提供外部支撐，固定加緊等作用，避免電池氣脹等引起自身形變，同時(shí)還可以根據(jù)實(shí)際情況采用高導(dǎo)熱材料貼于電池表面，達(dá)到強(qiáng)化散熱效果。在軟包裝鈦酸鋰電池成組集成熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇冷板散熱。

[1]馬華，從長(zhǎng)杰.儲(chǔ)能用鋰離子動(dòng)力電池研究進(jìn)展[J].化學(xué)工業(yè)與工程，2014，31(3)：26-33.

[2]陳方，梁海潮，李仁貴，等.負(fù)極活性材料Li4Ti5O12的研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2002，26(6)：452-456.

[3]SCROSATI B，PANERO S，REALE P，et al.Investigation of new types of lithium-ion battery materials[J].Journal of Power Sources，2002，105：161-168.

[4]NAKAHARA K，NAKAJIMA R，MATSUSHIMA T.et al.Preparation of particulate Li4Ti5O12having excellent characteristics as an electrode active material for power storage cells[J].Journal of Power Sources，2003，117：131-136.

[5]SUN F C，CHEN K.Experimental study on heat generation and dissipation performance of PEV lithium-ion battery[J].High Technology Letters，2010，16(1)：1-5.

[6]徐蒙，張竹茜，賈力，等.圓柱形鋰離子動(dòng)力電池放電過(guò)程電化學(xué)與傳熱特性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(32)：54-61.

[7]PESARAN A.Battery thermal models for hybrid vehicle simulations[J].J Power Sources，2002，3：77-82.

[8]INUI Y，KOBAYASHI Y，WATANABE Y，et al.Simulation of temperature distribution in cylindrical and prismatic lithium ion secondary batteries[J].Energy Convers Manage，2007，48：3-9.

[9]趙惇殳.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：1-231.

Study on thermal behavior of flexible lithium titanate battery during discharge

The flexible lithium titanate battery was taken as the research subject.Based on numerical heat transfer, the temperature field of the flexible lithium titanate battery was simulated with the finite technology.The simulation's veracity for predicting thermal behavior of cell at discharge was verified by experiment.On this base,the variation of thermal behavior of the battery at various discharge rates and various heat transfer conditions was studied.The results can provide references for the flexible lithium titanate battery pack.

flexible lithium titanate battery;finite technology;temperature distribution;heat transfer conditons

TM912

A

1002-087X(2016)12-2317-04

2016-05-06

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目-儲(chǔ)能用鈦酸鋰電池及儲(chǔ)能系統(tǒng)研制（DG71-15-037）

王麗娜（1980—），女，河北省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡姵責(zé)峁芾怼?/p>