鋰離子電芯熱模型總結(jié)
1 鋰電池系統(tǒng)建模過(guò)程概述
鋰離子電池系統(tǒng)，熱模型建立的大體過(guò)程。首先確定單體電池的生熱模型并確定影響參數(shù)。生熱模型包含的內(nèi)容，熱量來(lái)源和生熱速率。第二步，選擇熱傳導(dǎo)模型。把電芯真實(shí)結(jié)構(gòu)做適度簡(jiǎn)化，保留熱傳播過(guò)程中的關(guān)鍵因素，忽略弱相關(guān)因素，平衡模型準(zhǔn)確性和復(fù)雜性的關(guān)系。第三步（不在下文討論范圍），建立電池包系統(tǒng)熱模型。電芯生成的熱量在電池包范圍內(nèi)傳遞，進(jìn)而向電池包外部傳遞。根據(jù)熱傳遞實(shí)際情形，簡(jiǎn)化真實(shí)電池包結(jié)構(gòu)。如果系統(tǒng)內(nèi)包含熱管理系統(tǒng)，則熱量自電芯表面向外傳遞開(kāi)始，熱量傳遞的路徑需要考慮散熱器等熱管理系統(tǒng)器件的作用。
2 鋰電池的熱量來(lái)源
鋰電池系統(tǒng)內(nèi)，工作狀態(tài)不同，其熱量來(lái)源會(huì)有所區(qū)別。
正常工作狀態(tài)電芯發(fā)熱來(lái)源
正常情況下，熱量主要來(lái)自鋰電池充放電過(guò)程中的電化學(xué)反應(yīng)，以及周邊電連接器件的自體發(fā)熱。
鋰電池發(fā)熱模型，應(yīng)用最廣的是Newman的生熱理論模型。模型認(rèn)為鋰電池電化學(xué)反應(yīng)的四個(gè)過(guò)程有熱量產(chǎn)生，包括：反應(yīng)生熱，極化生熱，歐姆內(nèi)阻生熱和副反應(yīng)生熱。這四類熱量又被劃分成兩種性質(zhì)，可逆熱和不可逆熱。反應(yīng)熱，在放電過(guò)程中放熱，充電過(guò)程中吸熱，稱為可逆熱。其余部分，熱量產(chǎn)生以后，只有耗散掉一個(gè)途徑，稱為不可逆熱。在后來(lái)的不同應(yīng)用實(shí)例中，人們根據(jù)不同需求，對(duì)這四個(gè)組成部分作出簡(jiǎn)化。
生熱速率模型，應(yīng)用最廣的是Bernardi模型，模型將可逆熱和不可逆熱分別考慮，建立了生熱速率與系統(tǒng)宏觀測(cè)量參數(shù)之間的聯(lián)系。通過(guò)電池的體積、電流、電壓、內(nèi)阻、溫度和溫度影響系數(shù)，可以推算出生熱速率。生熱速率是系統(tǒng)安全性的重要指標(biāo)。
濫用狀態(tài)電芯發(fā)熱來(lái)源
濫用狀態(tài)下的鋰電池，其熱量來(lái)源與正常工作狀態(tài)不盡相同，電池濫用的熱模型必須單獨(dú)討論，針對(duì)具體濫用問(wèn)題和經(jīng)歷的工作過(guò)程建立熱模型。下面的表述是關(guān)于熱濫用生熱模型的研究情況。
有研究表明，在充電過(guò)程中，負(fù)極與溶劑的反應(yīng)和負(fù)極表面沉積的鋰金屬反應(yīng)，是熱量的主要來(lái)源，而SEI膜分解熱與前兩者相比，數(shù)值小得多。在放電過(guò)程中，溶劑與正極材料活性物質(zhì)的反應(yīng)，產(chǎn)生主要熱量，負(fù)極與粘合劑以及負(fù)極與溶劑的反應(yīng)熱量相對(duì)比較小。
另有人研究鈷酸鋰在熱濫用條件下的主要熱量來(lái)源，發(fā)現(xiàn)正極材料與電解液的反應(yīng)生成主要的熱量。
以上結(jié)論，都是針對(duì)單體熱濫用情形下。擠壓、針刺、短路等情形，需要針對(duì)各自情況，單獨(dú)討論。
老化電芯發(fā)熱來(lái)源
在并未發(fā)生熱失控的狀態(tài)下，老化鋰電池工作過(guò)程中的發(fā)熱來(lái)源，類型與新電芯類似，也是前面提到的四種。但老化使得發(fā)熱量的比例關(guān)系發(fā)生了變化，老化發(fā)生的原因不同，其自發(fā)熱的組成比例也不相同。
有研究表明，以不同電流循環(huán)相同次數(shù)，循環(huán)電流大的電芯的工作發(fā)熱速率高；以同樣高溫（55℃）擱置同樣長(zhǎng)時(shí)間，荷電狀態(tài)高的電芯工作發(fā)熱率高；循環(huán)發(fā)生老化與高溫?cái)R置發(fā)生老化比較，剩余容量近似的電芯，擱置老化電芯內(nèi)阻增加值小于循環(huán)老化電芯，但擱置老化的發(fā)熱率反而高，這可能是擱置電芯的極化效應(yīng)更強(qiáng)烈引起的現(xiàn)象。
3 鋰電池單體生熱模型整理
3.1 電化學(xué)-熱模型
不同形式能量的的耦合模型，理論基礎(chǔ)一定是能量守恒。電化學(xué)反應(yīng)與熱的關(guān)系，其理論基礎(chǔ)是電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)，模型描述電能、化學(xué)能和熱能之間通過(guò)化學(xué)反應(yīng)、電勢(shì)和濃差的變化來(lái)描述電化學(xué)過(guò)程，并與外在的溫度取得聯(lián)系。
電化學(xué)-熱耦合模型，可以按照維度和對(duì)熱傳遞的方式的認(rèn)識(shí)劃分種類。
按照維度劃分
電化學(xué)-熱模型有0至三維各種級(jí)別的模型。0維，認(rèn)為電芯是一個(gè)發(fā)熱的質(zhì)點(diǎn)，在電芯內(nèi)部，不考慮熱傳遞的過(guò)程，電芯只作為熱源存在；1維，線性模型認(rèn)為溫差只在一個(gè)方向上存在，熱量只在一個(gè)方向上傳遞，比如簡(jiǎn)化了的圓柱電池模型就屬于此類；二維模型，考慮熱量在長(zhǎng)度和寬度上的分布狀況。比如圓柱形電芯，使用二維模型已經(jīng)可以比較好的研究電芯單體的熱過(guò)程，但在電芯成組以后，其空間位置不再對(duì)稱，通過(guò)軸線的截面方位不同，熱的分布不同，則二維模型不再能很好的描述電芯溫度場(chǎng)。
三維模型，全面考慮溫度場(chǎng)在電芯上的實(shí)際分布情形。電芯可以不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何體，電芯上比較細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)也可以納入考慮范圍。
按照熱傳遞結(jié)構(gòu)劃分
這個(gè)劃分方式是人們進(jìn)一步考慮電池詳細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)熱傳遞產(chǎn)生的影響才出現(xiàn)的，因此是在三維模型范圍內(nèi)的。
鋰電池內(nèi)部產(chǎn)熱的情形很復(fù)雜，正負(fù)極材料、隔膜、電解液、正負(fù)極集流體、極耳，每個(gè)部分都可以發(fā)熱。具體做出怎樣的簡(jiǎn)化，與應(yīng)用場(chǎng)景有直接關(guān)系。應(yīng)用條件越是寬松，越不考驗(yàn)電芯的極限能力，則模型可以越簡(jiǎn)化。
三維均勻產(chǎn)熱模型，認(rèn)為模型每個(gè)位置的性質(zhì)均勻一致，產(chǎn)熱和熱傳導(dǎo)的能力一致；三維分層模型，一種分層模型認(rèn)為熱量只在電池中心產(chǎn)生，但熱傳導(dǎo)的過(guò)程是逐層進(jìn)行，按照平壁模型計(jì)算的；另一種分層模型，認(rèn)為不同層次各自發(fā)熱，層與層之間有熱傳遞發(fā)生；
三維分層細(xì)化模型，在三維分層的基礎(chǔ)上，增加考慮正負(fù)極集流體發(fā)熱和電解液歐姆熱，并且各個(gè)分層和發(fā)熱體之間有熱傳遞過(guò)程。更進(jìn)一步，考慮隔膜發(fā)熱，區(qū)分可逆熱和不可逆熱；再進(jìn)一步，考慮電芯殼體形狀、材質(zhì)和極耳的位置對(duì)溫度場(chǎng)的影響。
3.2 電-熱模型
相對(duì)于電化學(xué)-熱耦合模型關(guān)注電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等偏細(xì)節(jié)的內(nèi)容，電-熱模型屬于偏宏觀的建模方式。電-熱模型中能夠反映的電芯參數(shù)大體包括電池外形尺寸，電極位置、尺寸等。人們利用這種模型進(jìn)行的研究，主要是針對(duì)電芯的電流、電壓在電池本體上的分布情況，進(jìn)而推測(cè)溫度的分布。從電-熱模型，擴(kuò)展至電池包的整體系統(tǒng)熱模型，比較方便，可以指導(dǎo)電池組散熱裝置的設(shè)計(jì)，是應(yīng)用較多的模型。
隨著研究的不斷深入，電-熱模型也在向著細(xì)化方向發(fā)展，模型中逐漸增加考慮因素，比如集流體、正負(fù)極、極耳、電芯內(nèi)部卷繞結(jié)構(gòu)等。模型的細(xì)化，逐漸解釋了電流場(chǎng)、電壓場(chǎng)與溫度場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系問(wèn)題。
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