磷酸铁锂动力电池放电过程电化学—热耦合模型研究

大容量磷酸铁锂动力电池作为电动汽车的理想储能装置,仍需解决高产热速率和放电不均匀等带来的安全问题。锂离子电池的电化学反应机理、产热机理以及电热耦合特性是动力电池热管理研究的根本切入点。探究电池放电过程中的反应物生成物扩散动力学及其与温度场、电场之间的作用规律,对于提高电池的安全性能,实现内部温度场的均匀性具有重要意义。 本文通过对磷酸铁锂动力电池建立一个涉及质量守恒、电荷守恒和能量守恒,并伴有电化学反应过程的电化学-热耦合模型,研究电池恒流放电过程的温度场和生热速率,并通过实验验证了模型的合理性。结果表明,低倍率放电时,可逆生热速率在总生热速率中所占份额较大；而高倍率放电时,欧姆热生热速率占绝对优势。大电流放电时,产热速率高,有必要使用电池热管理系统。 锂离子动力电池放电过程中,电势分布和电化学反应速度分布对电池产热特性有很大影响。本文建立了38120型圆柱形磷酸铁锂电池二维轴截面模型,该模型采用了锂离子浓度和温度的相关性参数,考虑了正、负集流体的作用。搭建了锂离子电池放电测试平台,模型计算结果与实验数据的一致性较好。分析了集流体内电势分布对反应速度分布、产热速率分布和温度分布的影响,阐释了单体电池放电机理。 单体电池电芯内部包含了若干个电化学电芯单元。电芯单元的电化学特性和热行为对电池性能有很大影响。为了研究电芯单元和单体电池之间的作用关系,本文建立了由正、负集流体并联连接一维电芯单元的LP2770120型方形磷酸铁锂电池三维电芯模型,考虑了方形电池正、负极耳的作用。模型计算结果与实验数据的一致性较好。通过引入一维电芯单元相关参数,分析了三维方形电芯中一维电芯单元的工作机理。引入电池放电均匀性指数,分析了放电倍率和极耳位置对电池放电均匀性的影响。