锂离子电池的电热建模与实验验证

Yonghuang Ye , Yixiang Shi , Ningsheng Cai , Jianjun Lee , Xiangming He

摘 要 热处理对提高锂离子电池充放电效率和循环寿命至关重要，本文建立了耦合电子传导、传质、能量平衡和电化学机理的数学模型。通过比较模拟结果与脉冲测试实验数据，估算阴极材料的锂离子扩散率和化学反应速率，各种电流充放电率（0.2C，0.5C，1C，2C）和工作温度（0℃，10℃，25℃，55℃）。在电化学性能，热性能和电化学热耦合效应方面进一步验证了建模结果，其结果与实验结果吻合良好。建模结果表明，液相和固相中的锂离子浓度梯度受温度影响较大，当温度降低时，锂离子浓度梯度增加。这种现象导致低温运行时锂离子电池的容量损失和功率损耗，充电过程中的可逆热产生与放电过程中的热消耗相同。还表明，在低速率放电过程中，可逆热是主要的，并且在高速率放电过程中不可逆热是主要的，在高电流充电/放电期间，应加入适当的冷却系统以保持电池温度在安全范围内。

关键词 锂离子电池；发热；锂离子浓度；电热模型；参数估计

1.引言

各种类型的锂可充电电池一直在迅速推向商业化，归功于其在功率密度，成本，安全性，性能或设计灵活性方面的潜在优势。最近，电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）的应用越来越受到重视。设计人员需要充分了解锂离子电池的特性[1]。然而，在各种化学物质之间进行选择并优化某一应用领域的电池设计将是一项昂贵且耗时的实验工作。电池的数值建模和仿真对于提高电池运行的基本了解和设计合适的热管理系统至关重要。

锂离子电池的几种电热模型已经在已发表的文献中提出。Newman和Pals [2,3]通过向Doyle等人的伪二维多孔电极模型添加能量平衡方程，考虑了电池和电池堆热模型中的等温和绝热放电行为[4]。其他研究人员[1,5,6]通过添加分离的热源术语和采用温度依赖参数（锂离子扩散系数，电导率等）进一步开发了电化学热模型。通常，锂离子电池中的发热可以分为三种类型：（1）由于活性物质颗粒表面和电解质之间的电化学反应极化，活化极化不可逆热；（2）由于欧姆电位下降引起的欧姆热；（3）充放电期间熵变引起的可逆反应热。

此外，对于给定的数学模型，尽管大多数模型参数是从实验或文献中确定的，但其他仅是估计。调整一些参数以确保模型结果与实验数据之间的良好一致性，例如动力学和运输特性。估计参数的不确定性肯定会影响模型的可靠性和准确性，通过实验或表征技术独立确定参数越多，模型越健全稳定。此外，实验充放电数据和建模结果之间的比较有助于电池设计师深入了解各种参数（热力学，动力学和设计）对不同工作条件（如充放电速率和温度）对电池性能的影响。因此，建模工作可能会减少所需的实验工作。

在本研究中，提出了锂离子电池的电热耦合模型，通过比较建模结果估计对温度变化敏感的模型参数与实验数据。预计了温度敏感参数（如锂离子在固相和液相中的扩散率和反应速率常数）。经过不同工作温度和充放电速率的综合模型验证，工作温度对锂排放行为的影响，并且对锂离子浓度分布进行了模拟和讨论之后，分析不同工作条件下电化学反应热源/散热器的作用。