計及不均勻發熱與溫度分布的鋰離子單電池電化學熱力學耦合三維有限元模型

張立軍，李文博，程洪正

目的：作為電動汽車的核心部件，鋰離子電池因其優異的綜合性能而備受關注。然而當電池溫度分布極不均勻或溫度過高過低時，可能導致電池損壞乃至安全事故。而對于鋰離子電池溫度場的預測方面，電池多層三維結構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有限元建模與分析方法，建立了具備分層結構的鋰離子電池電化學熱耦合模型，探索了鋰離子電池內部分層結構發熱分布與溫度場分布。方法：利用有限元法與溫度場相似準則建立具有分層結構的三維鋰離子單電池溫度場模型，然后建立具有分層結構的一維電化學生熱模型，并將電化學生熱模型所計算出的正負多孔電極的電化學熱、正負集流板和隔膜的歐姆熱分別傳遞到溫度場模型的相對應各層。首先，建立具備分層結構的三維鋰離子溫度場模型，該模型由正極集流板、正多孔電極、隔 膜、負多孔電極、負極集流板五層構成，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相似準則，將建立鋰離子電池溫度場模型所需的Z方向（即電池厚度方向）熱傳導系數擴大1000倍、對流換熱系數擴大1000倍、并保持生熱速率不變，其余方向熱傳導系數、對流換熱系數均保持不變，其中電池的生熱由歐姆熱、極化熱和可逆熱構成。然后，建立一維電化學模型，該模型由正極集流板、正多孔電極、隔膜、負多孔電極、負極集流板五層構成，每層的生熱分別傳入所建立的三維溫度場模型中計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模型中，用于計算電化學過程各參數的變化。通過迭代計算。獲取電池溫度分布隨時間的變化歷程。結果：對單電池在 1C放電工況進行仿真分析以得到如下結果：（1）從總體溫升特性的角度分析可知，在整個放電過程中，電池的平均溫度呈非線性上升，這是因為電池的溫度升高會引起電化學參數的變化進行引起發熱量的變化；且電池的正負極極耳處平均溫度在整個放電過程中一直高于其他各層，這是由于正負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間增大，但放電結束時其最大溫差僅為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）針對各層的生熱特性進行分析，可以看到，正負極生熱速率均隨放電進行而增大，其中負極生熱速率變化較大。（4）針對不同生熱機理進行分析可知，正負極電化學熱中可逆熱變化較大而不可逆熱變化較小，且負極的不可逆熱在放電中一直大于正極的不可逆熱。結論：建立了鋰離子單電池的一維電化學和基于相似原理的三維熱耦合模型，并進行仿真分析，發現應用所建立的模型進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，且放電后期負極生熱，尤其是負極可逆熱占主導地位。

來源出版物：汽車工程, 2015, 35(12): 1382-1389

入選年份：2015