搜索鋰離子動力電池仿真熱分析——生熱機理【轉發】
2017-05-24 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
本文主要介紹鋰離子動力電池(單體電池)生熱機理,為后邊的單體電池熱仿真分析做鋪墊。
一、鋰離子電池結構
不管是圓柱形、方形后其他異形(軟包、硬殼),其基本構成主要為:正極片(基材和圖層)、負極片(基材和圖層)、隔膜、電解液、正極引線(導柄)、負極引線(導柄)、殼體等。下圖為圓柱和方形電池結構,圖片來源于網絡。
二、鋰離子電池充放電原理
以鈷酸鋰為正極材料的鋰離子電池為例,其化學反映方程式如下:
充電過程中鋰離子以電解液為載體通過隔膜(通鋰離子隔電子)由正極到達負極,電子通過外電路由正極到負極,滿足電荷守恒。放點過程鋰離子以電解液為載體通過隔膜(通鋰離子隔電子)由負極到達正極,電子通過外電路由負極到正極極,滿足電荷守恒。充放電示意圖如下:
三、鋰離子電池生熱機理
鋰離子電池內部產生熱量主要由四部分組成:反應熱Qr、極化熱Qp、焦耳熱Qj和分解熱Qs。
反應熱或稱為化學反應熱Qs是由于電池內部的化學反應而產生的熱量。n為電池單體數量,m為正負電極質量,Q為正極電化學反應生成熱和負極電化學反應生成熱代數和,I表示充放電電流大小,M代表摩爾質量,F法拉第常熟。
極化熱Qp是由于電池在發生化學反應過程中存在一些因極化內阻而引起能量損失而產生的熱量。極化內阻主要包括由活化極化和濃差極化產生的內阻。
焦耳熱或稱為歐姆內阻熱Qj是由充放電過程中,電流流經導電介質時產生的熱量。歐姆內阻包括電解質的離子內阻(含隔膜和電極)和電子內阻(包括活性物質、集流體、導電極耳以及其之間的接觸電阻)。
分解熱或稱為副反應熱Qs是由電池在充放電過程中會伴隨一些副反應而產生的熱量。例如電極的一部分分解和電解液的分解反應等。在正常充放電過程中此部分熱量很小,可忽略不計。
綜上,電池正常充放電,產生的熱量為
四、鋰離子電池傳熱特性分析
我們了解鋰離子電池生熱機理后,就要明白其傳熱特性,才能夠對鋰離子電池的熱仿真分析進行更準確的建模。
通過熱傳學我們知道,熱量的傳遞方式有三種:熱傳導、熱對流和熱輻射。根據鋰離子電池結構及Pack結構,我們可以知道鋰離子電池內部主要傳熱方式為熱傳導,外部傳熱方式主要為熱對流。
五、Abaqus模型初步概想
由以上,我們根據Abaqus熱分析模塊,結合電池的產熱、內部熱傳導和外部熱對流,可建立簡單的仿真分析模型。其輸入條件(生熱速率、材料屬性、邊界條件等)可通過資料查閱、實驗測試及經驗獲取。
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