一、电池产热的影响: 1.放电/充电过程,特别是大倍率充放时会产生大量热量; 2.内部热量聚集,会引起内部温度升高; 3.影响电池材料热稳定性,并发生性能衰退; 4.影响电动汽车的经济性和适用性,由此引发的安全性和地寿命等存在制约; 5.低温下启动内部极化大,瞬时发热量会造成电池的不可逆损失。
二、电池产热的影响——热失控 ①演变:电池老化(演化)&突发事件(突变); ②触发:发生热失控与起火燃烧的转折点; ③扩展:单体或少量电池触发后向周围传递,发生次生危害。 2.电芯层面的热失控 ①产热速度过快,导致大量的热量在锂离子电池的内部积聚,诱发了一系列的副反应(如负极SEI膜分解,正极活性物质分解,释放出氧化性很高的游离氧,与电解液发生氧化反应),这些副反应会进一步导致锂离子电池内部的热量积聚,压力增大,最终导致锂离子电池起火爆炸,形成严重的安全问题。 ②内部诱因:低温充电、负极缺陷和过充导致负极形成的锂枝晶穿透隔膜引发短路,锂离子电池内部多余物刺穿隔膜引发短路等; ③外部诱因:大电流放电,正负极短路,高温,挤压、针刺等因素; ④安全阀:发生热失控且内压到阈值时,安全阀破坏,释放内压,避免更严重问题;
3. 热失控触发的原因 采用绝热量热仪(EV-ARC)来进行热失控特性的测试 4. 热失控扩展分析 25 Ah 三元锂离子电池(具有约0.1kWh的电能)热失控时释放出的能量约为630kJ,相当于0.15 kg TNT当量。而60 kWh 纯电动车的动力电池系统而言,则相当于释放出 90 kg TNT当量的能量。 传递途径: ①相邻壳体之间导热; ②电池极柱的导热; ③单体电池起火对周围电池炙烤。 5.电池的产热特性 5.1产热来源 反应热(Qr)、焦耳热(Qj)、极化热(Qp)及分解热(Qs)。 ①反应热 充电时,电化学反应表现为吸热,为负值; 放电时,电化学反应表现为放热,为正值。 ② 焦耳热 即欧姆内阻产热,即来源于电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻。 ③ 极化热 即电流作用在正负极上发生极化现象而产生的热量,来源于电化学极化和浓差极化引起的电阻。 ④ 分解热 电池在自放电过程中或者副反应过程中产生的热量,正常情况下可忽略。 5.2 生热模型 ①总生热量 ②电池生热模型 默认内部温度均匀,与电池形状无关。Benadi提出以下模拟模型: 5.3 比热容和生热速率 ①比热容的计算 ②生热速率计算 5.4 简单散热模型 ①散热率计算: ②柱形电芯散热模型: ③ 方形电池散热三维模型: 5.5 电池的产热的测试 单体电芯温度测定——测试仪器 ①多路温度测试仪;②红外热成像仪;③加速量热仪(ARC)。 单体电芯温度测定——测试部位 ①表面温度测定;②内部温度测定; ③ 绝热条件下测定(ARC中) 绝热条件下,电池的温度仅由其产热水平、质量和比热容决定,表征其发热水平更为准确。 热失控的测定: ①针刺;②挤压;③短路;④ARC绝热测试(模拟热无法及时散失下的反应动力学参数)。 5.5电池的产热的模拟仿真 常用软件:COMSOL Multiphysics、MATLAB、CFD-ACE 、Star-CCM 、ANSYS、ProE、CATIA等。 COMSOL Multiphysics为例: ①内置众多物理、化学、电学等的数据和模型; ②有针对电化学的专门的模块; ③通过模拟可以观测和理解电池工作的内部温度分布和外部散热情况。 5.6 电池包的热管理设计 |
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