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一、鋰電池產(chǎn)熱的影響：

1. 放電/充電過程，特別是大倍率充放時會產(chǎn)生大量熱量；

2. 內(nèi)部熱量聚集，會引起內(nèi)部溫度升高；

3. 影響電池材料熱穩(wěn)定性，并發(fā)生性能衰退；

4. 影響電動汽車的經(jīng)濟(jì)性和適用性，由此引發(fā)的安全性和地壽命等存在制約；

5. 低溫下啟動內(nèi)部極化大，瞬時發(fā)熱量會造成電池的不可逆損失。

概念	英文（單位）	概念解釋
吸熱反應(yīng)	Endothermal  reaction	反應(yīng)物總能量小于生成物總能量的反應(yīng)。
放熱反應(yīng)	Exothermic  reaction	反應(yīng)物總能量大于生成物總能量的反應(yīng)。
熱管理	Temperature  management	對鋰離子電池的熱量或溫度的管理。
熱穩(wěn)定性	Thermal  stability	表征鋰離子電池承受變化熱量或溫度變化的能力。
熱失控	Thermal  runaway	蓄電池在恒壓充電時電流和電池溫度發(fā)生一種積累性的增強(qiáng)作用并逐步損壞。
熱輻射	Thermal  radiation	物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。
熱量	Heat（J）	鋰離子電池工作時與外界系統(tǒng)之間依靠溫差傳遞的能量。
溫度	Temperature（K）	表征物體冷熱程度的物理量。
溫升	Temperature  rise（K）	鋰離子電池工作時高出外界系統(tǒng)的溫度。
反應(yīng)熱	Reaction  heat（J）	鋰離子在正負(fù)極產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。
焦耳熱	Joule  heat（J）	鋰電池工作時，電荷在電池內(nèi)部轉(zhuǎn)移時，克服電池內(nèi)部歐姆電阻而產(chǎn)生的熱量。
極化熱	Polarization  heat（J）	鋰電池在充放電過程中，因電流作用在正負(fù)極上發(fā)生極化現(xiàn)象而產(chǎn)生的熱量。
分解熱	Decomposition  heat（J）	電池在自放電過程中或者副反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量。
比熱容	Specific  heat capacity（J/(  kg·K  )）	單位質(zhì)量物體改變單位溫度時吸收或放出的熱量。
導(dǎo)熱系數(shù)	Thermal  conductivity（W/(m·K)）	在穩(wěn)定傳熱條件下，對于兩側(cè)表面溫差為1K的單位厚度的材料在單位時間內(nèi)通過單位面積所能傳遞的熱量。

二、電池產(chǎn)熱的影響——熱失控

1. 系統(tǒng)層面的熱失控

① 演變：電池老化（演化）&突發(fā)事件（突變）；

② 觸發(fā)：發(fā)生熱失控與起火燃燒的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；

③ 擴(kuò)展：單體或少量電池觸發(fā)后向周圍傳遞，發(fā)生次生危害。

2.電芯層面的熱失控

① 產(chǎn)熱速度過快，導(dǎo)致大量的熱量在鋰離子電池的內(nèi)部積聚，誘發(fā)了一系列的副反應(yīng)（如負(fù)極SEI膜分解，正極活性物質(zhì)分解，釋放出氧化性很高的游離氧，與電解液發(fā)生氧化反應(yīng)），這些副反應(yīng)會進(jìn)一步導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部的熱量積聚，壓力增大，最終導(dǎo)致鋰離子電池起火爆炸，形成嚴(yán)重的安全問題。

② 內(nèi)部誘因：低溫充電、負(fù)極缺陷和過充導(dǎo)致負(fù)極形成的鋰枝晶穿透隔膜引發(fā)短路，鋰離子電池內(nèi)部多余物刺穿隔膜引發(fā)短路等；

③  外部誘因：大電流放電，正負(fù)極短路，高溫，擠壓、針刺等因素；

④ 安全閥：發(fā)生熱失控且內(nèi)壓到閾值時，安全閥破壞，釋放內(nèi)壓，避免更嚴(yán)重問題；

 

 

階段	圖示	溫度 范圍	特征描述
I	圖6(a)	50-100	當(dāng)熱失控觸發(fā)發(fā)生后，電池因受到異常加熱而溫度升高，此階段電池發(fā)生高溫條件下的容量衰減。
II	圖6(b)	90-120	電池負(fù)極表面SEI膜分解，負(fù)極與電解液直接接觸并發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)放出量熱儀可測的熱量，絕熱條件下，電池溫度受自生熱影響繼續(xù)升高。溫度在100~110℃，電解液氣化導(dǎo)致電池膨脹，安全閥可能會打開，部分電解液泄漏。
III	圖6(c)	120-140	PE基質(zhì)的隔膜吸熱熔化并開始閉孔。由于隔膜的關(guān)斷效應(yīng)，電池內(nèi)阻迅速上升。該款電池的隔膜上具有陶瓷涂層，隔膜閉孔后不會迅速崩潰造成內(nèi)部大規(guī)模短路的發(fā)生。
IV	圖6(d)	140-260	正極/負(fù)極分別與電解液發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)放熱造成電池溫度繼續(xù)升高。隨著溫度的升高，反應(yīng)放熱速率逐漸加大。
V	圖6(e)	260-740	陶瓷涂層崩潰，電池內(nèi)部發(fā)生大規(guī)模內(nèi)短路，電池電壓急墜為零，并放出大量的熱。內(nèi)部高溫反應(yīng)同樣集中釋放出大量的熱量。瞬時累積的大量熱量帶來電池溫度的瞬間大幅升高，即熱失控發(fā)生。另外，生熱反應(yīng)也會產(chǎn)生大量的氣體，電池內(nèi)部壓力急劇升高，電池內(nèi)部物質(zhì)隨著高壓氣體噴出。
VI	圖6(f)	740-850	熱失控快速放熱后，部分殘留的放熱反應(yīng)還能夠?qū)㈦姵販囟仍偕咭欢?，直到達(dá)到最高溫度。
VII	圖6(g)	850-常溫	熱失控放熱反應(yīng)結(jié)束，殘余物降溫至常溫。

3. 熱失控觸發(fā)的原因

采用絕熱量熱儀（EV-ARC）來進(jìn)行熱失控特性的測試

4. 熱失控擴(kuò)展分析

25 Ah 三元鋰離子電池（具有約0.1kWh的電能）熱失控時釋放出的能量約為630kJ，相當(dāng)于0.15 kg TNT當(dāng)量。而60 kWh 純電動車的動力電池系統(tǒng)而言，則相當(dāng)于釋放出 90 kg TNT當(dāng)量的能量。

 

傳遞途徑：

① 相鄰殼體之間導(dǎo)熱；

② 電池極柱的導(dǎo)熱；

③ 單體電池起火對周圍電池炙烤。

5.電池的產(chǎn)熱特性

5.1產(chǎn)熱來源

 

 

 

 

 

 

 

 

 

反應(yīng)熱（Qr）、焦耳熱（Qj）、極化熱（Qp）及分解（Qs）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 ① 反應(yīng)熱

充電時，電化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)為吸熱，為負(fù)值；

放電時，電化學(xué)反應(yīng)表現(xiàn)為放熱，為正值。

② 焦耳熱

即歐姆內(nèi)阻產(chǎn)熱，即來源于電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻。

③ 極化熱

即電流作用在正負(fù)極上發(fā)生極化現(xiàn)象而產(chǎn)生的熱量，來源于電化學(xué)極化和濃差極化引起的電阻。

④ 分解熱

電池在自放電過程中或者副反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量，正常情況下可忽略。

5.2 生熱模型

①  總生熱量

 

② 電池生熱模型

 

默認(rèn)內(nèi)部溫度均勻，與電池形狀無關(guān)。Benadi提出以下模擬模型：

 

 

 5.3  比熱容和生熱速率

① 比熱容的計(jì)算

 

 

②生熱速率計(jì)算 

 

 5.4 簡單散熱模型

①散熱率計(jì)算：

 

 

②柱形電芯散熱模型：

 

 

③方形電池散熱三維模型：

 

 

5.5電池的產(chǎn)熱的測試

單體電芯溫度測定——測試儀器

① 多路溫度測試儀；②紅外熱成像儀；③加速量熱（ARC）。

 

 

單體電芯溫度測定——測試部位

① 表面溫度測定；②內(nèi)部溫度測定；

 

 

③ 絕熱條件下測定（ARC中）

絕熱條件下，電池的溫度僅由其產(chǎn)熱水平、質(zhì)量和比熱容決定，表征其發(fā)熱水平更為準(zhǔn)確。

 

 

熱失控的測定：

①針刺；②擠壓；③短路；④ARC絕熱測試（模擬熱無法及時散失下的反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)）。

5.5電池的產(chǎn)熱的模擬仿真

常用軟件：COMSOL Multiphysics、MATLAB、CFD-ACE+、Star-CCM+、ANSYS、ProE、CATIA等。

COMSOL Multiphysics為例：

①內(nèi)置眾多物理、化學(xué)、電學(xué)等的數(shù)據(jù)和模型；

②有針對電化學(xué)的專門的模塊；

③通過模擬可以觀測和理解電池工作的內(nèi)部溫度分布和外部散熱情況。

 

5.6 電池包的熱管理設(shè)計(jì)