磷酸铁锂电池放电过程的电化学—热全耦合模型数值模拟研究

发布时间：2020-09-15 12:16

　　锂离子电池是电动汽车动力输出的主要能量来源,其性能及寿命与其工作温度密切相关。掌握锂离子电池产热行为,有效地制定热管理措施,才能及时把热量散出,确保锂离子电池工作安全,不会因过热引发燃烧甚至爆炸现象。由于锂离子电池的产热行为与其电化学行为密切相关。因此,本文针对东莞新能源科技有限公司生产的磷酸铁锂电池,深入研究其放电过程中各种电化学参量与产热量的变化规律,以期为磷酸铁锂电池结构设计以及以其为单元构建的电池组散热设计提供指导。借助COMSOL Multiphysics软件平台开发可全面考虑电子欧姆热、离子欧姆热、离子迁移热、不可逆电化学反应热、可逆熵热、膜电阻热以及接触电阻热的磷酸铁锂电池一维电化学-热全耦合模型,并结合文献和实验测试结果校准、验证和完善所开发的数值模型,发现本文所开发的数值模型较文献结果更加接近实验测试结果。然后,利用完善后的数值模型探讨了不同放电倍率下磷酸铁锂电池放电过程中其内部各种电化学参量与产热量的变化规律,发现该模型可较好地预测放电过程中磷酸铁锂电池内部固相电势、电解液电势、电解液中Li+浓度、固体活性物颗粒内部平均Li浓度以及传输流密度等电化学参量以及电子欧姆热、离子欧姆热、离子迁移热、可逆熵热、不可逆电化学反应热以及膜电阻热等沿着电池厚度方向上的变化规律。然而,磷酸铁锂电池一维电化学—热全耦合模型忽略了极耳以及电池内部各种电化学和产热量沿着电池宽度和高度方向的变化,这与实际存在较大的差距。为此,本文在磷酸铁锂电池一维电化学-热全耦合模型的基础上,借助COMSOL Multiphysics软件平台开发了包含极耳在内的磷酸铁锂电池三维电化学-热全耦合模型,并结合实验测试结果校准、验证和完善所开发的数值模型,发现模拟结果与实验测试结果吻合良好。然后,利用其探讨了不同放电倍率下磷酸铁锂电池内部温度分布规律,发现放电倍率不同,电池内部温度分布规律基本相似,但放电倍率越大,电池内部各位置的温度越高,且电池内部温差越大,5C放电结束时温差高达2.65℃。为此,本文重点分析了5C放电过程磷酸铁锂电池内部各种电化学参量与产热量的变化规律,发现该模型可全视角观察其内部固相电势、电解液电势、电解液中Li+浓度、固体活性物颗粒内部平均Li浓度以及传输流密度等电化学参量以及电子欧姆热、离子欧姆热、离子迁移热、可逆熵热、不可逆电化学反应热以及膜电阻热等热量的变化规律。
【学位单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912

【参考文献】