锂离子动力电池热—电化学耦合特性分析及有限元模拟

发布时间：2017-05-16 14:24

  本文关键词：锂离子动力电池热—电化学耦合特性分析及有限元模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文以26Ah软包型三元锂离子动力电池为研究对象,在对锂离子电池本征热特性的研究基础之上,进行动力电池在热滥用方面的探索和研究。首先,在绝热环境和恒温环境条件下,研究了锂离子动力电池在充放电过程中的热特性。对绝热环境和恒温环境下动力电池在不同倍率充放电过程中温升进行测量,从而对过程中的产热量和产热速率进行定量计算,并进一步比较不同环境温度和充放电倍率对电池热特性的影响。除了常规充放电循环,还进行了电池在过充电条件下的热特性研究。其次,对电池不同滥用条件下发生热失控的临界状态进行分析,主要针对动力电池在不同荷电状态以及不同生命周期下的电池在发生热失控时的临界点温度和电压突降点,并进一步计算了热失控反应的表观活化能。最后,基于有限元方法,利用ANSYS建模软件建立了动力电池在不同倍率下放电过程中的二维热模型,并模拟和预测了电池在不同充放电条件下的温度场分布。研究主要结果如下:(1)在扩展加速量热仪(EV ARC)的绝热环境下,首先测得26Ah软包型单体电池的比热容值为1242 J kg-1 K-1,根据所测得的比热容值,采用电化学量热法定量测得锂离子电池在不同充放电倍率下的产热量。同时,利用温度箱的恒温条件测试电池表面温度分布,结果表明电池表面表面最高温度位于电池几何中心位置。另一方面,锂离子电池在放电倍率较小时,电池表面的温度分布差异不明显梯度不大;而随着放电电流增大,电池温度梯度也随之增大。(2)在EV ARC绝热环境下,研究电池在5.2A、13A、26A及52A电流下充电过程至过充热失控时的热行为,同时分析过充电过程中不同阶段的热特性规律。结果表明,在电池过充至4.2V进入第二阶段后,电池温升速率开始不断增大,电池内部正负极材料发生反应并不断产生气体。直至电池过充到达5V左右温升速率接近10℃/min,进入快速发热阶段,此时电池将在短时间内发生热失控。(3)结合HPPC测试和交流阻抗测试两种方法,利用EV ARC来研究不同循环周期下动力电池的电化学行为和热失控行为并进一步考察电池的热稳定性和安全性。结果表明,电池经过常温下1000周循环后容量下降至83%,直流内阻随循环次数增加而增大。从热失控曲线来看,随着循环次数的增加,电池自产热温度呈现总体下降,这说明了不断循环老化的电池SEI膜热稳定逐渐变差。同时,通过锂离子电池自产热的表观活化能计算得出,荷电状态越高,电池热失控反应的表观活化能越低,进而反映了荷电状态对电池热失控反应产生了显著的影响。(4)利用有限元软件模拟出电池温度分布情况。通过在恒温箱内不同环境温度下测试电池恒流放电结果,与模型结果进行验证,在此基础上进一步对电池温度特性进行分析,并得出以下结论。从模型得出的结果以及红外热成像结果表明,电池表面最高温度集中在电池中心位置,越靠近边缘温度逐渐减小。在位于电池表面中心位置,该点温度随着时间呈现非线性变化,同时随着放电电流增大,温升幅度也越大。
【关键词】：锂离子电池 电化学量热法 热失控 有限元方法 热模拟
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O646;TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 锂离子电池12-17
• 1.2.1 锂离子电池的工作原理12-13
• 1.2.2 锂离子电池的结构与特点13-15
• 1.2.3 锂离子动力电池热失控理论15-17
• 1.3 锂离子电池的热稳定性和安全性17-21
• 1.3.1 正极材料18-19
• 1.3.2 负极材料19-20
• 1.3.3 电解液20-21
• 1.3.4 安全性装置21
• 1.4 锂离子电池热模拟研究21-24
• 1.4.2 电化学-热模型21-23
• 1.4.3 电-热模型23
• 1.4.4 热滥用模型23-24
• 1.5 论文的研究目的与主要研究内容24-26
• 第2章 实验材料和方法26-32
• 2.1 实验样品及仪器26-27
• 2.1.1 样品的选择26
• 2.1.2 实验仪器26-27
• 2.2 样品基本性能评估27-30
• 2.2.1 放电容量及能量测试27-28
• 2.2.2 HPPC测试28-30
• 2.2.3 交流阻抗测试30
• 2.3 电化学-量热法30-32
• 第3章 锂离子动力电池充放电过程中热特性研究32-44
• 3.1 EV+ARC32-33
• 3.1.1 EV+ARC的工作原理32-33
• 3.1.2 EV+ARC的校准33
• 3.2 绝热条件下充放电循环过程中的电池热特性33-37
• 3.2.1 比热容实验33-34
• 3.2.2 充/放电量热测试34
• 3.2.3 量热分析34-36
• 3.2.4 多项式拟合36-37
• 3.3 恒温条件下充放电循环过程中的电池热特性37-40
• 3.3.1 实验37-38
• 3.3.2 结果与讨论38-40
• 3.4 不同倍率过充条件下的电池热特性40-42
• 3.4.1 实验40-41
• 3.4.2 结果与讨论41-42
• 3.5 本章小结42-44
• 第4章 锂离子动力电池的热失控特性研究44-53
• 4.1 锂离子热失控实验44-45
• 4.2 不同生命周期下的电池热失控行为45-49
• 4.2.1 实验45
• 4.2.2 结果与讨论45-49
• 4.3 不同荷电状态下的电池热失控行为49-52
• 4.3.1 实验49
• 4.3.2 结果与讨论49-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第5章 锂离子动力电池充放电过程中有限元热模拟53-61
• 5.1 有限元方法(FEM)简介53-54
• 5.1.1 热分析方法53-54
• 5.1.2 FEM的基本思想54
• 5.2 ANSYS有限元分析54-56
• 5.2.1 ANSYS软件简介54
• 5.2.2 ANSYS热分析基本理论54-56
• 5.2.3 ANSYS热分析过程56
• 5.3 锂离子电池热模型的建立56-58
• 5.3.1 内部生热率的确定56-57
• 5.3.2 模型网格的划分57
• 5.3.3 边界条件的建立57-58
• 5.4 模型预测结果与实验验证58-60
• 5.4.1 温度分布预测58
• 5.4.2 温度变化预测58-60
• 5.5 本章小结60-61
• 结论61-63
• 参考文献63-70
• 攻读学位期间发表的论文与研究成果清单70-71
• 致谢71

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