張立軍，李文博，程洪正

目的：作為電動(dòng)汽車的核心部件，鋰離子電池因其優(yōu)異的綜合性能而備受關(guān)注。然而當(dāng)電池溫度分布極不均勻或溫度過高過低時(shí)，可能導(dǎo)致電池?fù)p壞乃至安全事故。而對(duì)于鋰離子電池溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)方面，電池多層三維結(jié)構(gòu)尺寸的跨尺度建模較為困難。本文利用基于相似原理的電池多物理場(chǎng)有限元建模與分析方法，建立了具備分層結(jié)構(gòu)的鋰離子電池電化學(xué)熱耦合模型，探索了鋰離子電池內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)發(fā)熱分布與溫度場(chǎng)分布。方法：利用有限元法與溫度場(chǎng)相似準(zhǔn)則建立具有分層結(jié)構(gòu)的三維鋰離子單電池溫度場(chǎng)模型，然后建立具有分層結(jié)構(gòu)的一維電化學(xué)生熱模型，并將電化學(xué)生熱模型所計(jì)算出的正負(fù)多孔電極的電化學(xué)熱、正負(fù)集流板和隔膜的歐姆熱分別傳遞到溫度場(chǎng)模型的相對(duì)應(yīng)各層。首先，建立具備分層結(jié)構(gòu)的三維鋰離子溫度場(chǎng)模型，該模型由正極集流板、正多孔電極、隔 膜、負(fù)多孔電極、負(fù)極集流板五層構(gòu)成，并將該三維鋰離子單電池在厚度方向拉伸1000倍，并利用鋰離子電池溫度場(chǎng)相似準(zhǔn)則，將建立鋰離子電池溫度場(chǎng)模型所需的Z方向（即電池厚度方向）熱傳導(dǎo)系數(shù)擴(kuò)大1000倍、對(duì)流換熱系數(shù)擴(kuò)大1000倍、并保持生熱速率不變，其余方向熱傳導(dǎo)系數(shù)、對(duì)流換熱系數(shù)均保持不變，其中電池的生熱由歐姆熱、極化熱和可逆熱構(gòu)成。然后，建立一維電化學(xué)模型，該模型由正極集流板、正多孔電極、隔膜、負(fù)多孔電極、負(fù)極集流板五層構(gòu)成，每層的生熱分別傳入所建立的三維溫度場(chǎng)模型中計(jì)算鋰離子單電池的溫度分布，然后將各層溫度再傳入一維電化學(xué)模型中，用于計(jì)算電化學(xué)過程各參數(shù)的變化。通過迭代計(jì)算。獲取電池溫度分布隨時(shí)間的變化歷程。結(jié)果：對(duì)單電池在 1C放電工況進(jìn)行仿真分析以得到如下結(jié)果：（1）從總體溫升特性的角度分析可知，在整個(gè)放電過程中，電池的平均溫度呈非線性上升，這是因?yàn)殡姵氐臏囟壬邥?huì)引起電化學(xué)參數(shù)的變化進(jìn)行引起發(fā)熱量的變化；且電池的正負(fù)極極耳處平均溫度在整個(gè)放電過程中一直高于其他各層，這是由于正負(fù)極極耳處電流密度較大造成的。（2）從溫度不均勻性的角度可知，鋰離子單電池最大溫差隨放電時(shí)間增大，但放電結(jié)束時(shí)其最大溫差僅為0.3 K左右，即電池溫度在總體上較為均勻。各層的最高溫度均集中于中線偏上的位置。（3）針對(duì)各層的生熱特性進(jìn)行分析，可以看到，正負(fù)極生熱速率均隨放電進(jìn)行而增大，其中負(fù)極生熱速率變化較大。（4）針對(duì)不同生熱機(jī)理進(jìn)行分析可知，正負(fù)極電化學(xué)熱中可逆熱變化較大而不可逆熱變化較小，且負(fù)極的不可逆熱在放電中一直大于正極的不可逆熱。結(jié)論：建立了鋰離子單電池的一維電化學(xué)和基于相似原理的三維熱耦合模型，并進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用所建立的模型進(jìn)行鋰離子單電池的溫升特性與生熱特性是可行的；在恒流放電工況下，單電池厚度方向溫度較為一致，但平面方向的溫度由中心向邊緣逐漸降低，且極耳處存在熱集中；放電過程中各層平均溫度與平均生熱均呈上升趨勢(shì)，且放電后期負(fù)極生熱，尤其是負(fù)極可逆熱占主導(dǎo)地位。

來源出版物：汽車工程, 2015, 35(12): 1382-1389

入選年份：2015