电动汽车锂离子电池电化学—热场耦合模型研究

发布时间：2017-03-20 14:11

  本文关键词：电动汽车锂离子电池电化学—热场耦合模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：锂离子动力电池是未来新能源汽车的主要电化学动力源。为在车载环境下有效输出能量,必须依据锂离子动力电池的电化学特性来控制电池的输出功率。单纯依靠试验标定的方法获取电池的电化学参数费时费力,需要建立锂离子动力电池的电化学模型,根据模型的表现来对锂离子动力电池进行控制。同时,锂离子动力电池的车载工况下产生热量,需要设计相应的热管理系统进行有效散热。热管理系统的设计也不能完全通过试验试错进行,需要建立锂离子动力电池的热模型,以提高热管理系统设计的效率。锂离子动力电池的电化学特性与热特性总是耦合在一起,因此,需要建立锂离子动力电池的电化学-热场耦合模型,从而有效地指导电池管理系统的设计工作。为建立锂离子动力电池的电化学-热场模型,选取8Ah的铝塑膜锂离子动力动力电池,进行了不同环境温度和不同放电倍率条件下的测试。分析测试结果,得出该款锂离子动力电池的电化学特性以及热场分布特性。同时,进行了模拟实际工况的变电流测试,获得了该款动力电池的基本性能。根据不同环境温度和不同放电倍率条件下的测试结果,基于伪二维模型,建立了锂离子动力电池的电化学模型。所建立的模型能够较好地模拟动力电池在不同环境温度和不同放电倍率条件下的电化学特性,模型仿真结果与试验结果拟合较好,放电容量和电压误差都在3%以内。模型对于实际的变电流测试工况也有很好的模拟精度,电压误差在1%以内,说明所建立的模型具有较高的可信度。对于试验标定后的电化学模型进行了12个可调关键物理参数的模型仿真分析,讨论了不同物理参数对于电化学模型仿真结果的影响程度。结果表明,正负极最大可嵌入锂浓度、正负极长度、正负极初始嵌入锂浓度、1C充放电面平均电流密度于电池容量和电池电压的仿真结果影响较大。1C充放电面电流密度、隔膜厚度和初始电解质盐浓度对于电池电化学性能的影响存在边界值。进一步地,使用热平衡方程,在已建立的电化学模型的基础上建立了锂离子动力电池的电化学-热场模型。热模型所模拟的电池的温升趋势与试验测量得到的趋势相似,仿真结果与试验结果能够较好拟合。还分析了电化学模型中部分参数和热模型中可调参数对热模型的影响,发现电池表面散热系数、1C充放电面平均电流密度、正负极长度、负极最大可嵌入锂浓度对电池累积温升影响较大,正极最大可嵌入锂浓度、电池密度和电池比热容对电池模型温升情况的影响主要在于瞬态温升速率上,对于稳态的累积温升的影响相对较小,可以忽略不计。
【关键词】：电动汽车 锂离子动力电池 电化学模型 热模型 热电耦合模型
【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】：TM912
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-23
• 1.1 发展电动汽车的意义12-14
• 1.2 动力电池技术的发展现状14-16
• 1.3 锂离子动力电池的工作原理16-17
• 1.4 锂离子动力电池模型分类17-18
• 1.5 锂离子动力电池多物理场模型的研究现状18-21
• 1.6 COMSOL Multiphysics软件简介21-22
• 1.7 课题的主要研究内容22-23
• 第2章 锂离子动力电池试验研究23-38
• 2.1 电池参数与试验仪器23-25
• 2.2 试验设计25-29
• 2.2.1 电池最大可用容量测试25
• 2.2.2 不同放电倍率不同环境温度下的放电试验25-26
• 2.2.3 HPPC试验26-28
• 2.2.4 UDDS工况试验28-29
• 2.3 试验数据分析29-37
• 2.3.1 不同放电倍率对电池放电特性的影响29
• 2.3.2 不同环境温度对电池放电特性的影响29-30
• 2.3.3 不同温度下的充放电内阻30-31
• 2.3.4 温度分布试验31-36
• 2.3.5 实际道路运行时的电池响应情况36-37
• 2.4 本章小结37-38
• 第3章 锂离子动力电池电化学建模38-46
• 3.1 理论建模38-40
• 3.2 正负极平衡电势与化学计量比的关系40-41
• 3.3 电化学模型的常温验证41
• 3.4 电化学模型随温度的变化41-44
• 3.5 模型UDDS工况应用验证44-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第4章 锂离子动力电池电化学模型的参数敏感性分析46-75
• 4.1 电化学模型中可调参数46-47
• 4.2 可调参数对模型电化学特性的影响47-74
• 4.2.1 1C充放电面平均电流密度对电化学模型的影响47-49
• 4.2.2 负极长度对电化学模型的影响49-52
• 4.2.3 正极长度对电化学模型的影响52-54
• 4.2.4 隔膜厚度对电化学模型的影响54-56
• 4.2.5 负极粒子半径对电化学模型的影响56-58
• 4.2.6 正极粒子半径对电化学模型的影响58-59
• 4.2.7 SEI膜内阻对电化学模型的影响59-61
• 4.2.8 初始的电解质盐浓度对电化学模型的影响61-64
• 4.2.9 负极最大可嵌入锂浓度对电化学模型的影响64-66
• 4.2.10 正极最大可嵌入锂浓度对电化学模型的影响66-68
• 4.2.11 负极初始嵌入锂浓度对电化学模型的影响68-71
• 4.2.12 正极初始嵌入锂浓度对电化学模型的影响71-74
• 4.3 本章小结74-75
• 第5章 锂离子动力电池热电耦合模型研究75-92
• 5.1 热电耦合模型的原理75-76
• 5.2 锂离子动力电池热模型基本方程76
• 5.3 热模型与试验匹配验证76-78
• 5.4 模型参数敏感性分析78-90
• 5.4.1 1C充放电面平均电流密度对热模型的影响79-80
• 5.4.2 负极长度对热模型的影响80-81
• 5.4.3 正极长度对热模型的影响81-82
• 5.4.4 负极最大可嵌入锂浓度对热模型的影响82-83
• 5.4.5 正极最大可嵌入锂浓度对热模型的影响83-84
• 5.4.6 电池密度 ρ 对热模型的影响84-85
• 5.4.7 电池比热容Cp对热模型的影响85-87
• 5.4.8 电池表面散热系数hconv对热模型的影响87-90
• 5.5 本章小结90-92
• 结论92-95
• 全文总结92-93
• 论文创新点93-94
• 展望94-95
• 参考文献95-99
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单99-100
• 致谢100

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