圆柱形锂离子动力电池放电过程电化学与传热特性_图文

1、 第 32 期 0.35 0.30 产热速率/W 0.25 0.20 0.15 0.10 0 2 徐蒙等：圆柱形锂离子动力电池放电过程电化学与传热特性研究 反应热 欧姆 极化热 59 18 16 总产热速率/W 14 12 10 8 6 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 放电容量/Ah (a 0.5 C 倍率放电过程各部分产热速率 0.7 总产热速率/W 0.6 产热速率/W 0.5 0.4 0.3 0.2 0 2 4 6 8 10 反应热 欧姆 极化热 放电容量/Ah (a 5 C 倍率放电过程总产热速率 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0 2 4 6

2、放电容量/Ah 8 10 放电容量/Ah (b 1 C 倍率放电过程各部分产热速率 2.2 1.8 产热速率/W 1.4 1.0 0.6 0 2 4 6 放电容量/Ah 8 10 反应热 欧姆 极化热 (b 0.5 C 倍率放电过程总产热速率 图6 Fig. 6 不同倍率放电过程总产热速率 Total heat generation rate at various discharge rates 由于高倍率放电时产热速率高、温升大，欧姆内阻 随温度升高而减小，因此欧姆热产热速率随放电容 量增大而减小。 图 7 为自然对流换热条件下(h=5 W/(m2×K， 高 倍率(2 C、5 C放

3、电过程电池表面温度变化曲线。大 电流放电时，电池表面温度曲线几乎不受反应热产 热速率波动性影响而出现温升速率先减小后增大 的情况，但是温升速率在整个放电过程呈现逐步减 小的趋势，这是因为欧姆热阻随温度升高而减小， (c 2 C 倍率放电过程各部分产热速率 14 产热速率/W 10 反应热 欧姆 极化热 欧姆热产热速率随之减小。图 4 和图 7 所示温度随 放电容量的变化曲线可以说明，放电倍率增大时， 电池温升明显增大，5 C 倍率放电过程电池表面温 度达到 72 ，远超出磷酸铁锂动力电池安全工作 6 2 0 2 4 6 放电容量/Ah 8 10 温度范围-1055 。 由于高温会导致电池内部发

4、生 副反应，破坏电极内部结构，甚至引发热失控。 图 8 为强制对流传热条件下(h=30 W/(m2×K， (d 5 C 倍率放电过程各部分产热速率 图5 不同倍率放电过程各部分产热速率 Partial heat generation rate at various discharge rates Fig. 5 50 W/(m2×K进行大电流放电的表面温度随放电容 50 W/(m2×K 量变化曲线。 边界条件 h=30 W/(m2×K， 条件下，放电末期电池表面在温度分别达到 54 和 面温度随放电时间变化的实验数据(图 4相互印证。 如图 5(c、(d所

5、示，高倍率放电(2 C、5 C时， 欧姆热产热速率已经明显大于反应热产热速率，此 时可逆反应热对电池总产热的影响已经微乎其微， 其波动性也不能在总产热中体现(图 6(a。同时， 48 ，符合电池安全工作的温度范围。由式(22可 知，随着电池表面与环境温差增大，对流换热更加 剧烈，因此，如图 8 所示，对流换热系数越大，温 度曲线会更快地趋于平衡状态。所以，采取必要的 60 330 中 国 电 机 工 程 学 报 第 33 卷 度升高而减小。 模拟 4）大电流放电需要结合电池热管理系统对电 池进行冷却，提高对流换热系数有利于减小温升， 从而确保锂离子动力电池安全、高效地输出功率。 320 温度/

6、K 310 参考文献 1 高飞，杨凯，惠东，等储能用磷酸铁锂电池循环寿命 0 2 4 6 放电容量/Ah 8 10 300 的能量分析J 中国电机工程学报， 2013， 33(5： 41-45 Gao Fei，Yang Kai，Hui Dong，et alCycle-life energy analysis of LiFePO4 batteries for energy storage JProceedings of the CSEE，2013，33(5：41-45(in Chinese (a 2 C 倍率恒流放电温度变化 350 340 模拟 温度/K 330 320 310 300 0 2

7、 4 6 放电容量/Ah 8 10 2 Doyle M ， Fuller T F ， Newman J Modeling of galvanostatic charge and discharge of the lithium/ polymer/insertion cellJJournal of The Electrochemical Society，1993，140(6：1526-1533 3 Delacourt C，Safari MAnalysis of lithium deinsertion/ insertion in LiyFePO4 with a simple mathematica

8、l model JElectrochimica Acta，2011，56(14：5222-5229 4 Pals C R，Newman JThermal modeling of the lithium/ polymer battery IDischarge behavior of a single cell J Journal of The Electrochemical Society ， 1995 ， 142(10：32743281 5 Pals C R，Newman JThermal modeling of the lithium/ polymer battery IITemperatu

9、re profiles in a cell stack J Journal of The Electrochemical Society ， 1995 ， 142(10：32823288 6 Sun Fengchun，Chen KeExperimental study on heat generation and dissipation performance of PEV Lithiumion batteryJHigh Technology Letters，2010，16(1： 1-5 7 张志杰， 李茂德 锂离子动力电池温升特性的研究J 汽 车工程，2010，32(4：320-322 Zh

10、ang Zhijie，Li MaodeA study on the temperature rise characteristic of lithium-ion power batteryJ Automotive Engineering，2010，32(4：320-322(in Chinese 8 杨凯，李大贺，陈实，等电动汽车动力电池的热效应 模型J北京理工大学学报，2008，28(9：782-785 Yang Kai，Li Dahe，Chen Shi，et alThermal model of batteries for electric vehiclesJTransactions of

11、Beijing Institute of Technology ， 2008 ， 28(9 ： 782-785(in Chinese 9 Sabbah R， Kizilel R， Selman J R， et al Active (air-cooled vspassive (phase change material thermal management of high power lithium-ion packs： limitation of temperature rise and uniformity of temperature distributionJJournal of Pow

12、er Sources，2008，182(2：630-638 10 Somasundaram K， Birgersson E， Mujumdar A Thermalelectrochemical model for passive thermal management of a spiral-wound lithium-ion batteryJJournal of Power (b 5 C 倍率恒流放电温度变化 图7 Fig. 7 350 340 温度/K 330 320 310 300 0 大电流恒流放电温度变化 Surface temperature at higher discharge

13、rates h=50 W/m2×K h=30 W/m2×K h=5 W/m2×K 2 4 6 放电容量/Ah 8 10 图8 强制对流换热条件下温度变化 Surface temperature under forced convection condition Fig. 8 冷却措施有利于电池的安全、高效运行。 4 结论 1）通过建立锂离子动力电池电化学热耦合模 型，分析了电池在不同倍率下放电的电化学与传热 特性。 2）放电倍率越大，电池表面温升越高，5 C 放 电时温升可达到 45 ，超出安全工作温度范围。 3）低倍率(£1 C放电时，可逆反应热约占电

14、池 总产热的 50%，电池表面温度曲线依次呈现上升 平缓上升趋势；高倍率(³2 C放电时，欧姆热占总 产热的 50%以上，且该比重随放电倍率的增大而增 大，温度曲线呈现逐步上升趋势，但温升速率随温 第 32 期 徐蒙等：圆柱形锂离子动力电池放电过程电化学与传热特性研究 61 Sources，2012，203：84-96 11 Ye Yonghuang，Shi Yixiang，Cai NingshengElectrothermal modeling and experimental validation for lithium ion batteryJJournal of Power

15、Sources，2012，199(3： 227-238 12 Chen Shinchih，Wang Yungyun，Wan ChichaoThermal analysis of spirally wound lithium batteriesJJournal of the Electrochemical Society， 2006， 153(4： A 637-A 648 13 Zhang Xiongwen Thermal analysis of a cylindrical lithium-ion batteryJElectrochem Acta，2011，56(3： 1246-1255 14

16、Onda K，Ohshima T，Nakayama M，et a1Thermal behavior of small lithium-ion battery during rapid charge and discharge cyclesJ Journal of Power Sources， 2006， 158(1：535-542 15 王峰，李茂德电池热效应分析J电源技术，2010， 34(3：288-291 Wang Feng，Li DemaoThermal performance analysis of batteriesJChinese Journal of Power Sources

17、，2010， 34(3：288-291(in Chinese 16 Subramanian V R， Boovaragavan V Mathematical model reformulation for lithium-ion battery simulations ： galvanostatic boundary conditionsJ Journal of The Electrochemical Society，2009，156(4：260-271 17 Meyer M， Komsiyska L， Lenz B， et al Study of the local SOC distribu

18、tion in a lithium-ion battery and electrochemical medeling and simulationJ Applied Mathematical Modeling，2013，37(4：2016-2027 18 Safari M， Delacourt C Mathematical modeling of lithium iron phosphate electrode：galvanostatic charge/discharge and path dependenceJJournal of the Electrochemical Society，20

19、11，158(2：63-73 19 Safari M ， Delacourt C Modeling of a commercial Graphite/LiFePO4 cellJJournal of the Electrochemical Society，2011，158(2：562-571 20 Hellwig C ， Sörgel S ， Bessler W G A muti-scale electrochemical and thermal model of a LiFePO4 batteryJ ECS Transactions，2011，35(32：215-228 21 任保福

20、，贾力，张竹茜，等大容量锂离子动力电池热 特性的实验研究 C/ 中国工程热物理学会传热传质学 术会议东莞：东莞理工学院，2012 Ren Baofu，Jia Li，Zhang Zhuqian，et al. A study on the thermal characteristic of the large capacity lithium-ion power batteryC/Academic conference of the Chinese Engineering Thermophysics Societys Heat and Mass TransferDongguan：Dongguan

21、Institute of Technology， 2012(in Chinese 收稿日期：2013-04-08。 作者简介： 徐蒙(1985，男，工学硕士，主要从事 锂离子动力电池实验及仿真研究工作， 11121500； 徐蒙 张竹茜(1972，女，副教授，主要从事 动力电池及燃料电池电化学与传热特性研 究； 贾力(1963，男，教授，主要从事传热 传质及微尺度换热研究； 杨立新(1969，男，副教授，主要从事 CFD 在能源领域的应用研究。 (编辑 李蕊 Extended Summary 正文参见 pp.54-61 Study on Electrochemical and Heat Tra

22、nsfer Characteristics of Cylindrical Lithium-ion Power Battery During Discharge Cycle XU Meng, ZHANG Zhuqian, JIA Li, YANG Lixin (Beijing Jiaotong University KEY WORDS: electric vehicle; lithium-ion power battery; electro-thermal model; thermal characteristics Lithium ion batteries now play an impor

23、tant role as portable energy devices in the consumer matket, where they have replaced NiCd and NiMH batteries in a big share of applications. In the future, the automotive industry will become another important field of application for Li-ion batteries as most of the car manufactures are planning to

24、 sell hybrid electric vehicles or full electric vehicles with Li-ion battery technology in the next years. However, the heat generation in a cell has a strong influence on performance and safe operation of Lithium-ion power battery. To study the temperature distribution and heat generation rate of a

25、 basic LiFePO4 lithium ion battery at various galvanostatic discharge rates, an electro-thermal mathematical model is developed where the mass, charge, and thermal transport processes are considered, as well as the electrochemical reaction phenomena. ìÑ × i1 + Ñ × i2 = 0 

26、39; a F a F ï jn = j0 exp( a h - exp(- c h RT RT ï ï ¶c1 1 ¶ ¶ c ï + (-r 2 D1 1 = 0 í ¶t r 2 ¶r ¶r ï ¶c S j ïe 2 2 + Ñ × J 2 = a n F ï ¶t ï ¶T 2 - lÑ T = qrea + qact + qohm ï r cp ¶t &#

27、238; In this model, a commercially available cylindrical Li-ion 38120 battery is considered, for which a 1-dimensional of the battery cell unit is resolved, and given in Fig. 1. The thermal characteristics predicted by Heat generation/W 1 Positive electrode Separator 2 Li+ 3 Negative electrode 4

28、60; Li Li+ Cu(- iapp Al(+ iapp Li+ e-   0 r dp x= 0 ds L dn Positive active particle Negative active particle Conductive additive Electrolyte Fig. 1 Schematic of a lithium-ion battery calculation domain 312 Temperature/K 308 304 300 0 2 4 6 8 Discharge capacity/Ah 10 Measured Simulated Fig. 2 Comparison of simulated results of battery surface temperature with experimental data lower discharge rate, while the ohmic heat is dominant under a higher discharge rate. A battery thermal management system is necessary under high discharge rate due to the higher temperature rise. The r