新能源汽車用鋰電池熱效應研究

孫新城　方斌

摘 要：鋰電池是電動汽車未來發展重要的動力源，在鋰電池的開發過程中，安全設計與評估在預防熱失控引起的著火等問題中發揮著重要的作用。根據鋰電池的工作原理及熱效應原理，采用模擬技術，建立鋰電池在充放電工作狀態下的物理模型，評估鋰電池的充放電時的熱效應。該文介紹了運用COMSOL Multiphysics軟件建模的方法來測試鋰電池在充放電過程的放熱情況及工作過程中冷卻液對電池熱量傳導的效果，為進一步研究電動汽車用鋰電池熱安全性能提供數據參考。

關鍵詞：鋰電池 COMSOL Multiphysics 熱效應

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（c）-0030-02

鋰電池具有很高的比能量，放電電壓平坦，使用溫度范圍寬廣，濕擱置壽命長等諸多優點。其中磷酸鐵鋰電池的綜合性價比最好，與傳統的鋰離子二次電池正極材料，磷酸鐵鋰電池使用的尖晶石結構的LiMn2O4和傳統鋰離子電池使用的層狀結構的LiCoO2相比，LiMPO4的原物料來源更廣泛、價格更低廉且無環境污染。磷酸鐵鋰電池1C充放電循環壽命可達2000次以上，從而使其具有超長壽命，安全性高，環保且不需要稀有金屬等諸多優點，基于這種良好的性能，磷酸鐵鋰電池在儲能電池和汽車動力電池方面具有誘人的應用前景。

新能源汽車的動力源主要是由單體鋰電池通過串并聯等方式組合而成的巨大鋰電池組，這種電池組對大電流充放電有較高要求，尤其是其在汽車正常工作條件下，面對各種工況，鋰電池組通常要在短時間內急劇的放電，在進行快速充電時又要進行急劇充電，這樣的工作狀態就會導致電池組內部產生大量的熱量。這些產生的熱量必須及時的散發掉，如果不能及時散發掉，將會使電池組的溫度在一定時間內升高，影響電池的正常工作甚至造成安全事故，同時，電池長期處于這種工作狀態下，將會嚴重降低電池的使用壽命。該文將以單體鋰電池為研究對象，系統的研究鋰電池在絕熱、隔熱和自然散熱條件下充放電過程中的熱效應，為鋰電池在新能源汽車動力電源方面的應用打下基礎。

1 鋰電池的熱效應

鋰離子電池分別用兩個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次型電池。靠鋰離子在正負極之間的移動來實現電池的充放電。目前鋰離子電池正極材料主要使用的是LiCoO2，充電時，電池兩極間的電壓迫使正極的LiCoO2釋出鋰離子，嵌入電池負極排列呈片層結構的鋰-碳化合物中；放電時，鋰離子則從負極片層結構的鋰-碳化合物中析出，重新和正極的化合物結合，鋰離子的移動產生了電流。

電池反應熱：磷酸鐵鋰電池的電化學反應如下：

充電：正極：LiFePO4-xLi+-xe→ xFePO4+（1-x）LiFePO4

負極：x6C+xLi+xe→xLiC6

放電：正極：FePO4+xe+xLi→ xLiFePO4+（1-x）FePO4

負極：xLiC6-xe→xLi+x6C

鋰離子電池反應產生的熱量：

；

鋰離子電池極化產生的熱：；

鋰離子電阻產生的焦耳熱：；

鋰離子電池內部氣體產生得到的副反應熱；對于鋰離子電池來說此部分熱量非常小，研究時將其忽略。

2 鋰離子電池的熱效應模型

鋰離子電池從外形分類一般分圓柱形和方形，而聚合物鋰離子還可制成任意形狀。該文以方形鋰離子電池為研究對象。根據鋰電池熱效應的基本原理，建立一個直角坐標系內的空間鋰離子電池熱效應數學模型，用數學的方式描述鋰離子電池熱效應的基本狀態。數學模型的建立通常實在理想的情況下進行的，鋰電池的熱效應數學模型也不例外，這就要求我們對電池進行必要的簡化，具體簡化如下：

（1）因為我們分析的是液態鋰離子電池，其內部電解液幾乎不流動，可以將電解液的對流散熱效應忽略。

（2）鋰電池在工作過程的輻射熱影響非常小，可以忽略不計。

（3）因為數學模型是在理想情況下建立的，假定電池的各種參數不變，忽略溫度對其的影響。

（4）電池的正負極及電解液的材料是各項同性的。

（5）熱量在電池內部是均勻分布的。

（6）鋰電池在各個方向上具有相同的導熱系數。

基于以上的簡化，在直角坐標系內根據鋰離子電池熱效應的原理，建立鋰離子電池的熱效應數學模型。

式中：x，y，z分別為沿著電池長度、寬度和厚度的方向；λ為導熱系數；T為溫度；t為時間；Q為電池內部單位體積的熱生成率；單位為W/m；即每單位體積電池的熱生成量；ρ為電池的平均密度；C為電池的平均比熱容。

從鋰離子電池熱效應數學模型中可以看出鋰離子電池在放電過程中，產生的熱量主要來源于以下幾個方面：

（1）SEI膜分解的產生的熱量；

（2）電解液與嵌入鋰產生的熱量；

（3）粘結劑與嵌入鋰產生的熱量；

（4）溶劑與鋰鹽發生的電解液產生的熱量；

（5）正極LiCoO2發生的分解反應時產生的熱量；

（6）鋰金屬的反應產生的熱量。

上面這些反應產生的熱量在鋰離子電池充電的時候為負值，在鋰離子電池放電的時候為正值。

鋰離子電池在充、放電的時候，會發生極化反應，平均電壓與開路電壓在這種情況下會產生偏差，由于這種電壓偏差而產生的熱量就叫做極化熱，極化熱在鋰離子電池充放電的時候都為正值。

鋰離子電池的電極存在著自放電的現象從而會引起電極的分解，由于電極自放電而產生的熱量叫分解熱，這部分熱量在充放電的時候都很小，可以忽略不計。

鋰離子電池內部的電阻在充放電過程中因為發熱而產生的熱量稱為焦耳熱，這部分熱量都為正值。endprint

通常情況下，鋰離子電池在放電的時候產生的熱量要大于鋰離子電池在充電的時候產生的熱量，根據情況，該文只探討電池在充放電過程中產生的熱量，并根據熱量產生的狀態采取一定的散熱措施，從而對電池充放電起到保護的作用。

當前情況下，國內外學者對鋰離子電池的內部生成熱存在著諸多的觀點，在進行鋰離子電池的熱效應的分析時，最常用也是最經典的公式是Bernadi的數學計算式，該文也將采用此公式來計算鋰離子電池的內部生成熱。Bernadi的計算式：

式中：I表示電流，T表示溫度，E表示開路電壓，V表示工作電壓。前一項表示化學反應的可逆熵變，后一項表示焦耳熱或不可逆變化產熱。

根據鋰離子電池的熱效應數學模型，采用COMSOL_Multiphysics軟件建立仿真模型，這里選用薄片狀鋰離子電池作為仿真研究的對象進行建模仿真。在仿真過程中模擬鋰電池充放電過程，給鋰電池加載一個近似于充放電的變化，觀察鋰電池內部熱穩定情況及薄片狀鋰電池內部散熱狀況。（見圖1、圖2）

根據COMSOL_Multiphysics軟件自帶的鋰電池分析算法對片狀鋰電池模型進行分析，主要分析電池在充放電過程中得熱效應和結構上的散熱情況。

由圖3可以看出，鋰電池中的流體室中的壓力狀況，圖中在液體流入口出的壓力較大達到500 pa以上，而在液體流出通道口出的壓力比較小；圖4中表達了鋰電池在工作過程中，通過冷卻通道中間切面的冷卻液流速狀況，通過中間切面的流速大約是0.2 m/s，從圖中可以看出在給電池加載一個變化后，使電池的一個剖面達到一個穩定的溫度狀態只需要幾秒鐘的時間范圍。

從圖5中可以看出鋰電池溫度變化范圍最高溫度與最低溫度差距在2000開氏溫度，沿著y軸的溫度變化范圍要小于沿xz平面的溫度變化范圍。從圖6中可以看出冷卻液的溫度要稍微低于電池的溫度。電池的溫度范圍在310.31～312.73 k之間，而此時，冷卻液的溫度范圍在309.96～312.48之間，變化不是很大。

從圖7中可以看出，在靠近冷卻液的一面溫度比較低，并呈逐漸下降趨勢，在到達進口處是達到最低接近1 k，其中整體溫度變化范圍在0.3246～2.5227 k之間，變化范圍比較明顯，從而顯示出冷卻液對鋰電池溫度變化的強烈影響。

3 結語

新能源汽車使用的動力鋰離子電池對快速充電和大電流放電有較高要求，在汽車各種工況行駛中必須要考慮鋰離子電池在各種工況下所過放電是產生的巨大熱量， 基于這種情況，有效降低鋰離子電池產生的熱量和及時將鋰離子電池產生的熱量散發出去是當前新能源汽車使用鋰離子電池必須面對的一個難題。該文中通過對鋰電池加載一個有效的近似于真實充放電的變化，模擬電池在真實使用環境中的溫度變化情況，對比了在距離冷卻液較勁和較遠兩種狀態下電池板的溫度狀況，電池中冷卻液流速情況及冷卻液通過冷卻通道時的流速等情況，進一步分析了鋰電池在工作過程中產生的熱量情況，從而為研究解決電動汽車用鋰電池的熱效應問題提供可靠地參考。

參考文獻

[1] 鄭明森，金明鋼，董全峰，等.在聚合物鋰離子蓄電池中的高溫性能[J].電源技術，2003（27）：166-168.

[2] 陳玉紅，唐致遠，盧星河，等.鋰離子電池爆炸機理研究化學進展[J].化學進展，2006，18（6）：823-831.endprint

通常情況下，鋰離子電池在放電的時候產生的熱量要大于鋰離子電池在充電的時候產生的熱量，根據情況，該文只探討電池在充放電過程中產生的熱量，并根據熱量產生的狀態采取一定的散熱措施，從而對電池充放電起到保護的作用。

當前情況下，國內外學者對鋰離子電池的內部生成熱存在著諸多的觀點，在進行鋰離子電池的熱效應的分析時，最常用也是最經典的公式是Bernadi的數學計算式，該文也將采用此公式來計算鋰離子電池的內部生成熱。Bernadi的計算式：

式中：I表示電流，T表示溫度，E表示開路電壓，V表示工作電壓。前一項表示化學反應的可逆熵變，后一項表示焦耳熱或不可逆變化產熱。

根據鋰離子電池的熱效應數學模型，采用COMSOL_Multiphysics軟件建立仿真模型，這里選用薄片狀鋰離子電池作為仿真研究的對象進行建模仿真。在仿真過程中模擬鋰電池充放電過程，給鋰電池加載一個近似于充放電的變化，觀察鋰電池內部熱穩定情況及薄片狀鋰電池內部散熱狀況。（見圖1、圖2）

根據COMSOL_Multiphysics軟件自帶的鋰電池分析算法對片狀鋰電池模型進行分析，主要分析電池在充放電過程中得熱效應和結構上的散熱情況。

由圖3可以看出，鋰電池中的流體室中的壓力狀況，圖中在液體流入口出的壓力較大達到500 pa以上，而在液體流出通道口出的壓力比較小；圖4中表達了鋰電池在工作過程中，通過冷卻通道中間切面的冷卻液流速狀況，通過中間切面的流速大約是0.2 m/s，從圖中可以看出在給電池加載一個變化后，使電池的一個剖面達到一個穩定的溫度狀態只需要幾秒鐘的時間范圍。

從圖5中可以看出鋰電池溫度變化范圍最高溫度與最低溫度差距在2000開氏溫度，沿著y軸的溫度變化范圍要小于沿xz平面的溫度變化范圍。從圖6中可以看出冷卻液的溫度要稍微低于電池的溫度。電池的溫度范圍在310.31～312.73 k之間，而此時，冷卻液的溫度范圍在309.96～312.48之間，變化不是很大。

從圖7中可以看出，在靠近冷卻液的一面溫度比較低，并呈逐漸下降趨勢，在到達進口處是達到最低接近1 k，其中整體溫度變化范圍在0.3246～2.5227 k之間，變化范圍比較明顯，從而顯示出冷卻液對鋰電池溫度變化的強烈影響。

3 結語

新能源汽車使用的動力鋰離子電池對快速充電和大電流放電有較高要求，在汽車各種工況行駛中必須要考慮鋰離子電池在各種工況下所過放電是產生的巨大熱量， 基于這種情況，有效降低鋰離子電池產生的熱量和及時將鋰離子電池產生的熱量散發出去是當前新能源汽車使用鋰離子電池必須面對的一個難題。該文中通過對鋰電池加載一個有效的近似于真實充放電的變化，模擬電池在真實使用環境中的溫度變化情況，對比了在距離冷卻液較勁和較遠兩種狀態下電池板的溫度狀況，電池中冷卻液流速情況及冷卻液通過冷卻通道時的流速等情況，進一步分析了鋰電池在工作過程中產生的熱量情況，從而為研究解決電動汽車用鋰電池的熱效應問題提供可靠地參考。

參考文獻

[1] 鄭明森，金明鋼，董全峰，等.在聚合物鋰離子蓄電池中的高溫性能[J].電源技術，2003（27）：166-168.

[2] 陳玉紅，唐致遠，盧星河，等.鋰離子電池爆炸機理研究化學進展[J].化學進展，2006，18（6）：823-831.endprint

通常情況下，鋰離子電池在放電的時候產生的熱量要大于鋰離子電池在充電的時候產生的熱量，根據情況，該文只探討電池在充放電過程中產生的熱量，并根據熱量產生的狀態采取一定的散熱措施，從而對電池充放電起到保護的作用。

當前情況下，國內外學者對鋰離子電池的內部生成熱存在著諸多的觀點，在進行鋰離子電池的熱效應的分析時，最常用也是最經典的公式是Bernadi的數學計算式，該文也將采用此公式來計算鋰離子電池的內部生成熱。Bernadi的計算式：

式中：I表示電流，T表示溫度，E表示開路電壓，V表示工作電壓。前一項表示化學反應的可逆熵變，后一項表示焦耳熱或不可逆變化產熱。

根據鋰離子電池的熱效應數學模型，采用COMSOL_Multiphysics軟件建立仿真模型，這里選用薄片狀鋰離子電池作為仿真研究的對象進行建模仿真。在仿真過程中模擬鋰電池充放電過程，給鋰電池加載一個近似于充放電的變化，觀察鋰電池內部熱穩定情況及薄片狀鋰電池內部散熱狀況。（見圖1、圖2）

根據COMSOL_Multiphysics軟件自帶的鋰電池分析算法對片狀鋰電池模型進行分析，主要分析電池在充放電過程中得熱效應和結構上的散熱情況。

由圖3可以看出，鋰電池中的流體室中的壓力狀況，圖中在液體流入口出的壓力較大達到500 pa以上，而在液體流出通道口出的壓力比較小；圖4中表達了鋰電池在工作過程中，通過冷卻通道中間切面的冷卻液流速狀況，通過中間切面的流速大約是0.2 m/s，從圖中可以看出在給電池加載一個變化后，使電池的一個剖面達到一個穩定的溫度狀態只需要幾秒鐘的時間范圍。

從圖5中可以看出鋰電池溫度變化范圍最高溫度與最低溫度差距在2000開氏溫度，沿著y軸的溫度變化范圍要小于沿xz平面的溫度變化范圍。從圖6中可以看出冷卻液的溫度要稍微低于電池的溫度。電池的溫度范圍在310.31～312.73 k之間，而此時，冷卻液的溫度范圍在309.96～312.48之間，變化不是很大。

從圖7中可以看出，在靠近冷卻液的一面溫度比較低，并呈逐漸下降趨勢，在到達進口處是達到最低接近1 k，其中整體溫度變化范圍在0.3246～2.5227 k之間，變化范圍比較明顯，從而顯示出冷卻液對鋰電池溫度變化的強烈影響。

3 結語

新能源汽車使用的動力鋰離子電池對快速充電和大電流放電有較高要求，在汽車各種工況行駛中必須要考慮鋰離子電池在各種工況下所過放電是產生的巨大熱量， 基于這種情況，有效降低鋰離子電池產生的熱量和及時將鋰離子電池產生的熱量散發出去是當前新能源汽車使用鋰離子電池必須面對的一個難題。該文中通過對鋰電池加載一個有效的近似于真實充放電的變化，模擬電池在真實使用環境中的溫度變化情況，對比了在距離冷卻液較勁和較遠兩種狀態下電池板的溫度狀況，電池中冷卻液流速情況及冷卻液通過冷卻通道時的流速等情況，進一步分析了鋰電池在工作過程中產生的熱量情況，從而為研究解決電動汽車用鋰電池的熱效應問題提供可靠地參考。

參考文獻

[1] 鄭明森，金明鋼，董全峰，等.在聚合物鋰離子蓄電池中的高溫性能[J].電源技術，2003（27）：166-168.

[2] 陳玉紅，唐致遠，盧星河，等.鋰離子電池爆炸機理研究化學進展[J].化學進展，2006，18（6）：823-831.endprint