鋰離子電池模組熱模擬與循環壽命預測

刊登日期:2015/3/5
  • 字級

多孔電極模型介紹
自 1975年 Newman及 Tiedemann提出多孔電極理論後,該理論被廣泛應用於模擬鋰離子電池的電化學反應過程。多孔電極理論對電池的電化學反應作了部分的簡化,如下:假設鋰離子在一維方向進行傳輸及忽略形成固體電解質介面膜( Solid Electrolyte Interphase )的過程;此外,多孔電極一維模型的幾何結構可分為五個部分,包括負極集電器、負極多孔電極、隔離膜、正極多孔電極、正極集電器,如圖一所示。

 
圖一、一維電化學理論模型
 
鋰離子電池模組溫度分佈
溫升實驗量測分別在電池組的外側、中間及 3/4處設置熱耦1、熱耦2、熱耦3,以觀察電池組溫升情形,模擬系統可取得和實驗組熱耦相同位置之溫度模擬結果。隨時間,圖六為熱耦 1、2、3實驗與模擬的溫度變化結果,空心符號為實驗量測,實線則為模擬結果,實驗量測結果在放電終止時最高溫僅高過模擬結果約 0.5˚C,此結果誤差僅為1.38%,此驗證結果可驗證建構之鋰離子電池模擬的系統、模擬流程、物裡化學特性及數值計算上有很高的精準度,爾後,此系統在模擬及預測鋰離子電池組的表現更具代表性。藉由驗證過之模型即可模擬預測電池模組於三維模型中的溫度分佈,如圖七所示。電池組與外界自然對流接觸的部分溫度最低約為 30˚C,圖八為將塑膠外殼去除並放大觀察電池組的溫度分佈,電池組的平均溫度約為 35˚C。
 

圖八、含隔熱材料電池組1C
放電溫度分佈圖(電池區域)
 
鋰離子電池模組循環壽命
電池製作廠商僅提供單顆電池的使用壽命曲線,如圖十所示,此圖為電池廠 A123 所提供 26650 磷酸鋰鐵電池的循環壽命圖。循環壽命圖為使用次數與電池最大含電量的對照值,讓使用者能夠清楚了解單顆電池的使用壽命,進而推估更換電池的時機。但各別電池間效能之差異造成的電池電量變化是非線性的,因此當電池以串並聯組合後,電池組的壽命無法由單顆電池的使用壽命來推估。為了解決此問題,本研究利用建立的電池模組溫升模擬技術及所發展的電池壽命預測模型對電池組之壽命進行預測。
 
將實驗測得之電池使用壽命圖與模擬結果做比較,如圖十一所示,實驗為以1C 定電流充電至 4.2V後,轉至定電壓充電至電流為 0.01C後停止充電,接著以1C進行放電至截止電壓 2.8V後停止放電,完成一次充放電循環,環境溫度為 25˚C。由結果中可比較模擬結果與實驗結果,進而驗證本研究開發之電池壽命預測模型的準確性。使用此預測方法計算單顆電池在不同循環次數下的放電曲線,如圖十二所示。總共計算七個不同的循環次數,觀察電池放電曲線變化趨勢,分別為 0、300、600、900、1,200、1,500、1,800次,觀察得知單顆電池經過 1,800次充放電後,電池容量下降了約 27.19%。為了瞭解電池模組放電曲線老化的情形,採用相同的方法來預測前文所分析之電池模組老化情況,模擬電池模組經過多次充放電後,放電曲線變化情況如圖十三……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。
 
作者:林揚善、陳賢謙/工研院材化所
★完整內容請見下方檔案。

分享
為此篇文章評分

相關廠商