基于电化学—热耦合模型的锂离子动力电池放电行为研究

高性能锂离子动力电池的研究和开发是新能源汽车产业发展的迫切需求,也是国家战略性新兴产业的重要组成部分。本文旨在基于电化学与热能的耦合关系,建立合理可靠的数学模型,进行全面而细致的锂离子动力电池放电过程的电化学和热行为研究。探讨电池的电化学反应和扩散迁移行为与温度、材料设计和工艺设计之间的关系,揭示放电倍率、对流冷却条件等对温度场分布的规律,研究优化电池模块温度分布的相关设计,为动力电池的优化设计奠定了基础。主要研究成果如下： (1)针对锂离子电池内部电化学与热能相互影响的特点,通过参数实时传递的方式,实现了一维电化学与三维热模型的耦合计算,得到单一模型无法获悉的更为全面和细致的电化学与温度场分布的信息。结果表明温度会影响电压平台以及活性物质利用率,而电化学反应对温度的影响主要体现在小倍率放电时。 (2)研究了放电过程的电化学反应速率和传质过程。放电过程中,电化学反应速率在电极的不同位置存在差异,会形成电化学极化。放电开始时,电极靠近隔膜位置的反应速率最高,集流体附近反应速率最低,随着放电过程的深入,靠近隔膜端的反应速率逐渐降低,而集流体端的反应速率逐渐升高,反应速率最快的点逐渐向集流体端移动。传质速率的差异会造成扩散极化,正负电极均存在固相扩散极化和液相扩散极化,并且随着放电过程的深入,固液相扩散极化均在增大。电极活性物质颗粒粒径对固相扩散有很大影响；电极厚度则是影响液相扩散极化的一个主要因素。 (3)揭示了放电倍率、冷却条件对单体电池温度场分布的影响。通过对比研究发现,改善电池的冷却环境能够有效降低放电过程的平均温度。电池处于自然对流(h=5W/(m2·K)的环境,1C、3C、5C放电结束时,电芯的平均温升为分别为6.46K、17.67K、27.53K；置于强制对流(h=25W/(m2·K)的条件下,温升比自然对流条件下相同倍率放电时的温度分别降低了2.91K,4.68K,5.62K。放电过程中,正极耳的平均温度最高,负极耳次之,电芯的平均温度最低,最高温度在电芯与极耳的连接处。由于电芯热阻较大,增加对流传热过程的表面传热系数会加剧电芯内外表面温度分布的不一致性。 (4)发展了优化电池模块温度场分布的方法。系统研究了对流换热系数、散热板对模块温度场的影响,为动力电池模块温度场优化设计提供参考。对流换热系数能够显著影响动力锂离子电池模块的平均温度,但随着对流换热系数的增大,电池模块的温度均匀性变差。对流换热系数为5W/(m2·K)时,电池温度范围为319.36K-320.27K,非均匀性度为0.45%,对流换热系数为100W/(m2·K)时,电池温度范围为310.42K-320.15K,非均匀性度为3.08%。在电池模块中添加散热铝板能够明显改善温度分布的均匀性。散热铝板厚度越大,放电过程电池模块最高温度越小；散热片翅数对温度场均匀性影响不大,5W/(m2·K)条件下,当散热翅片数从26增加到96,放电720s时,电池模块温度均匀性系数最大仅变化0.1%。