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恒功率放电过程中大型锂离子NEC锂电池单元热行为分析
发布时间：2026-08-04 19:51:58 点击： 次
大多数锂离子电池（LIB）电池的电化学-热模型模拟恒流放电，这使得准确复制实际使用LIB电池的器件工作变得困难。为解决这一问题，本研究采用了三维电化学-热模型，用于分析商用大型NMC622电池单元在恒功率放电条件下的电化学和热行为。更详细地说，已经开发了一个多物理数值模型，能够对电池运行期间发生的电荷输运、质量输运和能量平衡现象进行耦合分析。通过这些方法，能够轻松识别难以通过实验分析的电化学-热行为奠定基础。基于完成的数值模型，采用恒功率分析而非恒流分析来模拟实际电动汽车的功率控制过程。对各种热产生机制——包括反应热、活化热、电子欧姆热和离子欧姆热——进行了全面分析。开发的三维模型经过电压、电流和温度的实验验证。基于验证模型，分析放电期间的热行为。研究发现，在本研究所考虑的商用电池中，离子欧姆热在高功率放电时占主导，而可逆反应热在低功率放电时占主导。详细的热分析显示，大部分热量来自两个电极，负极贡献最大。由于反应热，负极在放电早期阶段会发生吸热反应。此外，活化热分析证实，在放电末端正极中会出现显著的活化过电位。局部热量产生在电池的侧面（厚度方向）而非前表面，这一点经模拟验证。最后，研究了单元几何的影响。结果显示，随着电极变薄，锂离子传输效率提升，从而提升电化学和热性能。
简介
为了分析LIB电池的热行为，研究人员利用实验方法观察其热产生行为。Lin等人利用加速速率量热法（ARC）测量了40Ah LFP电池的热产生[10]，并比较了基于阴极材料变化的热产生行为[11]。此外，研究人员利用量热器测量LIB电池的热量产生速率[[12]， [13]， [14]]。然而，实验测量方法存在局限性。他们无法详细分析LIB电池内电化学反应产生的热量和热行为，也无法确定单个热源的贡献。此外，这些方法无法测量LIB单元内局部点的热量分布。此外，实验方法需要大量的资金和时间投入，成本高昂且耗时。
与实验方法相比，数值分析方法的优势在于能够关联和分析LIB电池的详细电化学-热行为。为了补充只能测量电压、电流和温度等外部参数的实验方法，进行了大量与数值分析相关的研究。Bernardi等人[15]在电池温度均匀的假设下，使用一般能量平衡方程模拟了电池单元的温度。陈和埃文斯[16]，以及纽曼和蒂德曼[17]利用数学建模对电池单体温度进行了建模。Pals 和 Newman [18] 模拟了不同温度下的等温运行以及不同放电速率下的绝热运行行为。Gu和Wang[19]通过在镍氢电池中积分电化学和热反应进行了模拟。Song和Evans[20]，以及Srinivasan和Wang[21]研究了结合电化学和热反应的LIB电池计算模型。此外，Chen 等人[22]开发了一个简化的三维热模型，用于研究锂电池的热行为，并解释了电池单体表面温度的不均匀性。Kumaresan 等人[23]提出了一个LIB电池的热模型，并讨论了各种温度依赖参数对放电曲线的影响。此外，还提出了集中热模型的研究，该模型通过电压降大小、电流和电阻值模拟电池热量产生。Forgez等人[24]研究了使用等效电路的一维集总热模型，而Akbarzadeh等人[25]则基于等效电路研究了三维集总热模型。三维集总热模型假设细胞内部的分层结构表现出均匀的热性质、温度分布和热产生。谢等人[26]开发了改进的基于电阻的热模型，结合了欧姆电阻、极化阻、熵变化以及细胞内部分层结构的热性质。然而，大多数集中热模型和基于电阻的模型并未考虑电化学反应。相反，电化学反应产生的热量被简单地作为能量方程中的源项加入[27]。Saw 等人[28]曾进行过一项利用等效回路模型预测细胞温度的研究。此外，还提出了基于物理的电化学-热模型研究，该模型基于电化学反应计算锂离子电池电池的热量产生。其中，还建议利用一维电化学模型计算热量产生[29,30]。此外，Jiang等人[31]和Chiew等人[32]提出了将一维电化学模型与三维热模型结合的研究。一维电化学模型具有低计算成本的优势。然而，它存在局限性，只能观察电池核心的电化学热行为，并假设电极和集电器的平面内电化学热行为是均匀的。基于这一假设，无法分析平面方向电化学-热行为的非均匀性，而该行为可观察到。在大格式单元中。为克服这些限制，先前研究引入了二维电化学模型[33]，使得分析电池电池厚度方向的电化学-热行为。然而，它仍假设电池平面方向的电化学-热行为均匀，主要关注核心区域。尽管已有研究采用三维电化学-热模型[6，[34]，[35]，[36]，[37]]，但主要关注恒流放电条件下的简单温度比较。
大多数使用锂离子电池的设备是基于功率而非电流来工作的。特别是在插电混合动力车和电动汽车领域，动力总成的控制策略与电机密切相关——电机是驱动车辆和再生制动的关键部件——基于电池的电力需求[38]。即使在恒定功率条件下对电池单元施加恒定功率，施加在锂电池单元上的电流仍会波动，使其处于动态响应状态。然而，大多数先前的研究是在恒流条件下模拟电池的电化学-热行为。即使在恒定功率条件下对电池单体施加恒定功率，施加在电池单体上的电流仍会波动，使其处于动态响应状态。因此，与以往主要分析恒流放电条件下热行为的研究不同，本研究侧重于分析恒功率放电条件下的热行为，这些行为反映了PHEV和电动汽车动力总成系统的实际运行条件。此外，为解决以往研究的局限性，本研究在实验和数值研究中均采用容量为63 Ah的大型LIB细胞。本研究旨在利用基于三维物理的电化学-热模型，研究LIB电池的热产生行为。由于锂离子电池电池的热产生行为本质上由电化学反应驱动，本研究旨在通过电化学模型模拟其底层热行为。此外，还采用热分析模型来分析单个热源。最后，近年来，为了提升电动汽车电池组的能量密度和容量，出现了增加单个锂离子电池电池单元容量的趋势。然而，这些LIB细胞体积较大，导致细胞表面温度梯度更明显。因此，本研究探讨电池几何形状变化如何影响LIB电池的电化学-热行为，旨在理解几何变化对其电化学-热性能的影响。本研究旨在提出一种电池设计方法，以提升大型锂电池的电化学-热性能。
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