鋰離子單電池的放電倍率探究案例1單電池放電倍率首先研究單電池在不同放電倍率下的熱響應(yīng)。在環(huán)境溫度，自然對(duì)流條件下，分別以1C、3C、5C的放電倍率讓單電池從滿狀態(tài)放電，放完截止。在Fluent中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)仿真結(jié)果，得到在1C、3C、5C放電倍率下，放電截止時(shí)電池溫度的分布圖，如圖3.1所示。在室溫默認(rèn)300K的條件下，完全放電，1C放電倍率時(shí)，單電池最高溫度上升到了311.9K，最大溫升11.9K；3C放電倍率時(shí)，單電池最高溫度上升到了354.4K，最大溫升54.4K；5C放電倍率時(shí)，單電池最高溫度上升到了408.3K，最大溫升108.3K。比較三個(gè)圖可知，電池的最高溫度一般是出現(xiàn)在兩個(gè)電池極耳之間的下方，位于電池主體上分的部分，最低溫度則是電池主體最下方的位置。出現(xiàn)這種情況的原因可能是，在兩個(gè)極耳之間電子的交換最頻繁，產(chǎn)生較大的電流，故而產(chǎn)生了大量的熱，溫度升高最明顯。圖3.1依次為單電池1C、3C、5C放電的溫度分布圖對(duì)1C、3C、5C放電倍率下的最高溫度做橫向比較，在三種不同放電倍率下的最高溫度變化圖如圖3.2所示。圖3.21C、3C、5C放電倍率下最高溫度變化圖圖中橫軸是電池放出的電量，豎軸是單電池的最高溫度，可以很明顯的看出隨著放電倍率的增大，在同樣的放電量下，單電池最高溫度也逐漸增大。對(duì)于1C放電，單電池最高溫度變化不大，但對(duì)于5C放電，最高溫度急劇升高，甚至出現(xiàn)了熱失控的現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象很好解釋，電池放電倍率越高，放電越快，電流越大，產(chǎn)熱自然就更多，溫隨之升高。在實(shí)際使用中，電池的電量是通過電池剩余電壓的多少來進(jìn)行數(shù)值衡量的，因此，電池的電壓也是一個(gè)比較重要的參數(shù)，F(xiàn)luent數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到圖3.3的1C、3C、3C放電下的電池電壓曲線。圖3.31C、3C、5C放電倍率下的電壓曲線圖中橫軸是電池放出的電量，豎軸是單電池的電壓。顯而易見，電池的放電倍率越大，電壓下降的就越快。此外，比較有意思的一點(diǎn)是，在1C放電下，電池可以完全放電（即電池容量降為0），最終電壓在2.2V左右。但是在3C和5C放電下，電池會(huì)剩余一點(diǎn)電量，電壓卻比1C放電下更低，會(huì)降到1.9V左右?？赡苁怯捎谠诟弑堵史烹娤?，放電速度過快，電壓下降的太劇烈，過快達(dá)到了模擬軟件所設(shè)定的最低放電電壓，于是默認(rèn)已經(jīng)放完電。這點(diǎn)從5C放電下的剩余電量會(huì)比3C放電下剩余的電量更少可以得到一定的證明。在影響電池性能和壽命的諸多因素中，最大溫差也是一個(gè)重要參數(shù)，最大溫差太大必然會(huì)導(dǎo)致部分電池的充放電性能、容量和壽命等下降，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)熱失控，造成事故，具有嚴(yán)重的安全隱患。因此本文研究了不同放電倍率下的最大溫差。在1C倍率下，經(jīng)過3670s電池完全放電，最高溫度311.9K，最低溫度310.7K，最大溫差1.2K，整個(gè)電池溫度差別不大；在3C倍率下，經(jīng)過1140s完全放電，最高溫度354.4K，最低溫度343.5K，最大溫差10.9K，相比1C倍率下有明顯提升；在5C倍率下，經(jīng)過730s完全放電，最高溫度408.3K，最低溫度374.6K，最大溫差33.7K，整個(gè)電池的最大溫差已經(jīng)較為明顯，會(huì)影響到電池的壽命，故而應(yīng)當(dāng)盡量避免長時(shí)間高倍率的放電。為了驗(yàn)證不同使用環(huán)境對(duì)電池溫度的影響，本文還針對(duì)電池在不同的對(duì)流條件下進(jìn)行了計(jì)算分析。圖3.4表示不同對(duì)流系數(shù)與電池溫度的變化曲線，由圖3.4可得出以下結(jié)論：（1）在對(duì)流換熱系數(shù)較小時(shí)，對(duì)比h=10W/m2k和h=50W/m2k，對(duì)流換熱雖然只提升了40W/m2k，但最大溫度卻可以降低25℃，顯然提升對(duì)流換熱系數(shù)有著很明顯的降溫效果；在對(duì)流換熱系數(shù)較大時(shí)，對(duì)比h=50W/m2k和h=90W/m2k，對(duì)流換熱系數(shù)同樣提升了40W/m2k，但最大溫度只降低了5℃，顯然此時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)的增大并沒有給散熱帶來很大的幫助。這說明了在對(duì)流換熱系數(shù)達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，已經(jīng)能夠較為完全的給電池散熱，此時(shí)繼續(xù)增大對(duì)流換熱系數(shù)只能帶來很微弱的散熱作用，得不償失。（2）在h=10W/m2k時(shí)，完全放電后，最大溫度337K，最大溫差9K，在h=50W/m2k時(shí)，完全放電后，最大溫度311K，最大溫差4K，在h=10W/m2k時(shí)，完全放電后，最大溫度307K，最大溫差3K?？梢婋S著表面對(duì)流換熱系數(shù)的升高，不僅電池最大溫度隨之降低，電池的溫差同樣降低。隨著對(duì)流強(qiáng)度的增加，電池外部的散熱條件越好，溫度越低，但電池內(nèi)部的散熱卻并無改變，內(nèi)部和外部的溫度差會(huì)變大。圖3.4在3C放電下不同對(duì)流換熱系數(shù)與電池最高溫度的關(guān)系2單電池的各向異性鋰電池本身是由多層材料堆積起來的，故而其各個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)不盡相同。由于對(duì)平行電池平面兩個(gè)方向來說，是同一種材料，只是長度不同，在模擬中近似等同于導(dǎo)熱系數(shù)相同，只需要研究通過電池平面那個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)。給垂直電池平面的方向?qū)嵯禂?shù)分別賦予1、2、5、10W/mk，在λ=1W/mk時(shí)，最高溫度353.3K，最低溫度341.4K；在k=2W/mk時(shí)，最高溫度353.2K，最低溫度341.5K；在λ=5W/mk時(shí)，最高溫度353.1K，最低溫度341.5K；在λ=10W/mk時(shí)，最高溫度353.0K，最低溫度341.5K?？梢钥闯鲈诖怪彪姵仄矫娣较螂m然導(dǎo)熱系數(shù)不同，但電池的最高