電池溫度

鋰離子電池在熱箱實(shí)驗(yàn)中的熱穩(wěn)定性可以直接反映電池的安全性。通過鋰離子電池的熱模擬可以研究各種因素對電池?zé)嵝袨榈挠绊憽?h3 class="title-text">電池溫度熱箱溫度

圖1給出了設(shè)定模擬的鋰離子電池在423K熱箱實(shí)驗(yàn)到達(dá)446K時(shí)的溫度分布圖。圖2給出了不同熱箱溫度時(shí)鋰離子電池溫度的變化。可以看出對于設(shè)定的鋰離子電池在423K溫度下，電池發(fā)生了自放熱反應(yīng)，但是由于電池和外界的熱量傳遞，自放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量只是把電池溫度升高，而不能應(yīng)發(fā)電池的熱失控反應(yīng)；當(dāng)熱箱溫度升到428K時(shí)，由于電池自放熱速率的加快，是電池內(nèi)部熱量積累速率加快，電池的溫度不斷升高，最終出現(xiàn)了電池的熱失控。當(dāng)熱箱溫度上升到433K時(shí)，電池的自放熱速率加快，熱累積速度也更快，電池的熱失控也更快出現(xiàn)。

電池溫度熱交換系數(shù)

鋰離子電池自放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量和速率由電池材料本身的性質(zhì)決定，而電池內(nèi)部熱量的積累狀況還必須考慮電池和外界的熱量傳遞，熱交換的效率直接影響電池?zé)崃康姆e累。電池和外界的熱交換系數(shù)對電池溫度的影響。當(dāng)熱交換系數(shù)增大時(shí)，開始階段外部熱量向電池內(nèi)部的傳遞加快，電池溫度上升的速率增加，到達(dá)熱箱溫度所用的時(shí)間變短，但是電池自放熱產(chǎn)生的熱量也迅速地傳遞到外界，減少了電池內(nèi)部熱量的積累，抑制或減少了電池溫度的升高，使電池更難進(jìn)入熱失控狀態(tài)；反之，熱交換系數(shù)減小時(shí)，電池和外界的熱量傳遞變慢，開始階段電池的溫度上升速度變慢，達(dá)到熱箱溫度所需的時(shí)間變長，但是電池自放熱產(chǎn)生的熱量在電池內(nèi)部積累速度變大，造成電池內(nèi)部溫度的加速上升，當(dāng)熱量的積累達(dá)到臨界時(shí)，引發(fā)了電池的熱失控反應(yīng)。熱交換系數(shù)越小，從到達(dá)熱箱溫度到電池?zé)崾Э厮枰臅r(shí)間越短。電池的熱交換系數(shù)與電池外殼的材質(zhì)，外表面狀態(tài)和外界空氣的流動有關(guān)，周圍空氣流動速度越快，電池的熱交換系數(shù)越大。因此大體積的動力鋰離子電池組中需要散熱裝置提高各單體電池周圍空氣的流動速度。

電池溫度熱輻射

電池和外界的熱量交換效率還受到電池外殼熱輻射的影響。熱輻射傳熱速率和溫度的四次冪呈線性關(guān)系，熱輻射的引入會改變電池的溫度。熱輻射加快了電池與外界的熱量傳遞，使電池到達(dá)熱箱溫度的時(shí)間變短，抑制了電池內(nèi)部的熱量積累。因此大體積的動力鋰離子電池在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對電池外殼進(jìn)行加工處理，提高其熱輻射系數(shù)。

電池溫度電池大小

電池和外界的熱量交換是通過表面進(jìn)行的，而電池自放熱產(chǎn)生的總熱量與電池的大小直接相關(guān)。一般來說，電池越大，表面積所占的比例就越小[圓柱電池時(shí)，比表面積/體積=2*(1/h 1/r)。式中：h指高度；r指半徑。方形電池時(shí)，比表面積/體積=2*（1/a 1/b 1/c)。式中：a、b、c分別指長、寬、高]，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量越不容易擴(kuò)散到外界環(huán)境。圖5給出了不同大小的鋰離子電池在423 K熱箱條件下，電池的溫度變化，可以看出，隨著電池的變大，電池達(dá)到熱箱溫度所需時(shí)間增加，但是，由于電池內(nèi)部放熱量的增加，電池溫度上升的幅度增大，引發(fā)電池?zé)崾Э氐目赡苄栽龃?。?dāng)熱箱溫度為423 K時(shí)，6層正極的模型電池幾乎沒有引起電池溫度的上升；12層正極的模型電池出現(xiàn)的溫度上升幅度為23 K；18層正極的模型電池則引發(fā)了熱失控反應(yīng)。因此，為電池安全性考慮，在電池設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)所選定材料的熱參數(shù)確定該類單體電池的最小比例，以及何時(shí)的電池形狀。

電池溫度荷電狀態(tài)

鋰離子電池的荷電狀態(tài)（SOC）描述了電池儲能量的多少，從熱力學(xué)角度看，電池內(nèi)部的儲能越多，材料所處的能量狀態(tài)越高，熱穩(wěn)定越差，達(dá)到穩(wěn)定態(tài)過程所釋放的能量也越多。可以看出電池在半電狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)熱造成的電池溫度升高幅度較小，引發(fā)熱失控的可能性變小，電池的熱穩(wěn)定性較好。

通過鋰離子電池?zé)崮Ｐ?，模擬研究了熱箱溫度，熱交換系數(shù)，電池大小以及電池荷電狀態(tài)對電池溫度變化的影響，結(jié)果表明：熱箱溫度越高，鋰離子電池?zé)崾Э氐奈ｋU(xiǎn)越大；增大熱交換系數(shù)，減小電池容量和降低電池荷電狀態(tài)使電池的熱穩(wěn)定性提高。

絕熱條件下的模擬結(jié)果表明：在封閉環(huán)境下，鋰離子電池達(dá)到368 K后就有一定的危險(xiǎn)性存在。材料反應(yīng)速率和升溫速率模擬結(jié)果表明：處在不同溫度的鋰離子電池?zé)嵝?yīng)主要來源不同，正極/電解液分解反應(yīng)和電解液分解反應(yīng)是造成電池?zé)崾Э氐闹饕颉?

對于其他類型電池而言，可以參見相關(guān)專業(yè)書籍 。 2100433B

對鋰離子電池的模擬可以進(jìn)一步理解鋰離子電池?zé)崾Э氐钠鹨蚝瓦^程，為鋰離子電池安全性的提高提供參考。鋰離子電池模擬的方法有很多，主要分為電化學(xué)模擬和熱模擬兩類：一類是基于物質(zhì)，電荷的擴(kuò)散守恒，能量守恒建立的模型，主要模擬不同條件下電池的充放電過程。 這類鋰電池的模型在等溫電化學(xué)模型上的鋰/鋰離子電池模型模擬電池的靜態(tài)放電過程，多孔電極理論，利用宏觀均相來近似描述固相和溶液間的各種可能的變化；濃溶液理論，溶液中的物質(zhì)平衡和傳遞；球坐標(biāo)下的Fick擴(kuò)散方程描述固相中的物質(zhì)平衡和擴(kuò)散；能量守恒來計(jì)算電池的溫度；發(fā)展了一個(gè)幾乎適應(yīng)于所有鋰電池系統(tǒng)的一維模型；另一類是基于電池材料，電池的熱性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，對鋰離子電池的模擬可以進(jìn)一步理解鋰離子電池?zé)崾Э氐钠鹨蚝瓦^程，為鋰離子電池安全性的提高提供參考。

鋰離子電池模擬的方法有很多，主要分為電化學(xué)模擬和熱模擬兩類 ：一類是基于物質(zhì)，電荷的擴(kuò)散守恒，能量守恒建立的模型，主要模擬不同條件下電池的充放電過程。這類鋰電池的模型在等溫電化學(xué)模型上的鋰/鋰離子電池模型模擬電池的靜態(tài)放電過程，多孔電極理論，利用宏觀均相來近似描述固相和溶液間的各種可能的變化；濃溶液理論，溶液中的物質(zhì)平衡和傳遞；球坐標(biāo)下的Fick擴(kuò)散方程描述固相中的物質(zhì)平衡和擴(kuò)散；能量守恒來計(jì)算電池的溫度；發(fā)展了一個(gè)幾乎適應(yīng)于所有鋰電池系統(tǒng)的一維模型；另一類是基于電池材料，電池的熱性質(zhì)實(shí)驗(yàn)。

溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)，需要開關(guān)電源的監(jiān)控單元具有對電池浮充電壓的調(diào)節(jié)控制能力，即調(diào)壓能力。監(jiān)控單元檢測到蓄電池溫度后，根據(jù)實(shí)測的有效溫度來調(diào)節(jié)給蓄電池充電的浮充電壓（即電源系統(tǒng)的輸出電壓）。

溫度補(bǔ)償通常是以25 ℃為基準(zhǔn)，以每節(jié)（2 V）電池－3 mV/℃進(jìn)行調(diào)節(jié)，對于使用48 V蓄電池組的通信電源來說，輸出電壓變化值計(jì)算公式為△V=(T-25)×(-3mV) ×24。如：監(jiān)控單元檢測到蓄電池溫度為10 ℃，那么此時(shí)給蓄電池充電的浮充電壓（即電源系統(tǒng)的輸出電壓）為53.5 (10-25) ×(-3mV) ×24= 53.5 1.08=54.58 V。

所以說在冬天您看到的蓄電池浮充電壓（即電源系統(tǒng)的輸出電壓）會高于53.5 V，夏天看到會低于53.5 V，這是溫度補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果，屬正常現(xiàn)象。

在蓄電池充電的時(shí)候，蓄電池的化學(xué)反應(yīng)激烈程度和溫度是緊密相關(guān)的。

以通信直流開關(guān)電源為例，同樣的充電電壓，不同溫度下蓄電池的化學(xué)反應(yīng)程度差別很大。

蓄電池溫度越高，化學(xué)反應(yīng)越劇烈，溫度越低，蓄電池化學(xué)反應(yīng)越平淡。因此，在蓄電池溫度高時(shí)，由于電池化學(xué)反應(yīng)加劇，需要降低浮充電壓來減緩化學(xué)反應(yīng)；蓄電池溫度低時(shí)，化學(xué)反應(yīng)減緩，此時(shí)需要升高浮充電壓來增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)，以保證能量的正常轉(zhuǎn)換，這個(gè)功能就叫溫度補(bǔ)償。