三元锂离子电池电化学-热耦合多尺度建模与热性能分析研究
发布时间：2021-08-13 02:26
随着我国新能源汽车的快速发展,电动汽车充电速度慢的问题正逐渐引起社会的关注。快速充电技术可以解决这一问题,但电池在快速充电过程中的产热会严重影响电池的寿命,甚至造成安全隐患。所以有必要建立精确的锂离子电池生热模型,分析电池在快速充电条件下的热性能,以及不同快速充电方式对电池热性能的影响。本文以一款商业化的三元软包锂离子电池为研究对象,首先进行了电池的恒流充电实验,测试得到了电池在充电过程中的热性能。然后通过测量三元锂离子电池内部各组分的实际尺寸,借助COMSOL Multiphysics软件建立了介观尺度下的三维电化学模型和宏观尺度下的三维热模型,并构建了二者之间的耦合关系。通过仿真计算得到了恒流充电过程中电池的电化学性能和热性能,并与实验结果进行了对比,验证了模型的有效性。最后,基于所建立的三元锂离子电池的电化学-热耦合多尺度有限元模型分析了恒流充电、恒压充电、恒流-恒压充电、阶段恒流充电和脉冲充电等不同快速充电方式对电池热性能的影响,为三元锂离子电池快速充电方式的选择和面向快速充电应用的热管理系统的设计提供了参考依据。
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?２０１１－２０１９年我国电动汽车渗透率情况（单位：％）?［４］??不仅国家在政策上对新能源产业大力扶持，全国各大企业与高校也将科研??重心放到新能源项目上来，陆续上市了多款新能源汽车，成立了许多相关研发??
?第１章绪论???如今国际上已对超快速充电技术做出了明确规定，指花费时间少于ｌＯｍｉｎ，充??入电量多于８０％荷电状态（ＳＯＣ），或提供３２０ｋｍ的行驶里程的充电技术，其??充电功率可达３５０ｋＷ以上［５，６】。??随着电池结构的不断优化和材料的不断创新，近年来，电池能量密度得到??持续提升ｒｎ。宁德时代在２０１８年己推出１６０Ｗｈ／ｋｇ的ＬＩＢ系统，预计２０２０年??将超过１８０Ｗｈ／ｋｇ；比亚迪在２０１９年主要生产三元方形ＬＩＢ，其可达２３５Ｗｈ／ｋｇ??以上。但高能量密度的电池会造成充电时间的增加，为了应对这一问题，国际??上相继推出了拥有超快速充电功能的产品。如图１－３所示，瑞士?ＡＢＢ集团在??２０１８年４月发布了高达３５０千瓦的电动汽车充电技术Ｔｅｒｒａ?ＨＰ，宣称只需充电??８ｍｉｎ就可以获得２００ｋｍ的续航里程；在２０１８年Ｉｏｎｉｔｙ公司和Ｅｌｅｃｔｒｉｆｙ?Ａｍｅｒｉｃａ??公司分别建立了欧洲和加州的首个超快速充电站，其充电功率都可达３５０ｋＷ；??保时捷对外公布了支持８００Ｖ和３５０ｋＷ直流充电功率的Ｍｉｓｓｉｏｎ?Ｅ概念车，并??打算于２０２０年投入生产。??（ａ）．?ＡＢＢ?Ｔｅｒｒａ?ＨＰ超快速充电技术?（ｂ）．?Ｉｏｎｉｔｙ公司超快速充电站??ｍ??（ｃ）．?Ｅｌｅｃｔｒｉｆｙ?Ａｍｅｒｉｃａ超快速充电站?（ｄ）．保时捷Ｍｉｓｓｉｏｎ?Ｅ概念车??图１－３国际超级充电技术??３??
?第１章绪论???ｌ／Ｃｉ?＿?＋ＬＶＶ??ＩＩＬ?＼?４?２??ｚ?：??ｌ．ｏ￣￣ｒ７＾￣Ｌ??ｉ?电电流?２－５??〇－ｉＨ?Ｉ?—Ｉ，??预充区恒流区?恒压区?ｔｌｓ??图１４ＣＣ－ＣＶ充电方式??为了减少充电时间，同时也充入足够的电量，国内外许多学者从速度、效??率和安全性等角度展开了深入的研宄，推出了许多快速充电方式Ｐ］，如阶段??ＣＣ、脉冲、负脉冲和间歇充电等方式。??阶段ＣＣ充电：阶段性的减小ＣＣ充电电流的方式，由多个ＣＣ充电方式相??结合而形成（图１－５）。一般在首个ＣＣ阶段采用大倍率，以至于在较短的时间??内为电池充入大部分电量，当达到截止电压时，转为下一小倍率的ＣＣ阶段，??反复如此，直到减小到预设截止电流时停止充电。可以发现，在阶段ＣＣ充电??过程中电池一直处于ＣＣ充电状态，整体充电速率较快，同时阶梯分布的ＣＣ??充电阶段也有效的缓解了电池内部极化。为了缓解电池内部极化，在充电过程??中加入短暂静置而形成了脉冲充电法１｜４＊１６］。??脉冲充电：在初期以大倍率的ＣＣ方式充电，当达到预设的截止电压时静??置时间后以脉冲方式充电（图１－６）。在脉冲循环过程中，ＣＣ充电阶段所费??时间会越来越少，当少于设定的截止时间以下时停止充电。脉冲充电方式控制??较为复杂，由于存在静置阶段，充电时间也较长，但可以有效的缓解电池极化，??电池寿命会更长【１７］。为了更快速的消除电池内部极化，除了上述的静止去极化，??研究者在静置阶段又加上了短暂的放电阶段，这样强制的消除电池极化的方式??称为负脉冲充电方式。??负脉冲充电：在脉冲充电方式的静置阶段增加一个短时间的放电阶段［１８］??
本文编号：3339556
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－２?２０１１－２０１９年我国电动汽车渗透率情况（单位：％）?［４］??不仅国家在政策上对新能源产业大力扶持，全国各大企业与高校也将科研??重心放到新能源项目上来，陆续上市了多款新能源汽车，成立了许多相关研发??
?第１章绪论???如今国际上已对超快速充电技术做出了明确规定，指花费时间少于ｌＯｍｉｎ，充??入电量多于８０％荷电状态（ＳＯＣ），或提供３２０ｋｍ的行驶里程的充电技术，其??充电功率可达３５０ｋＷ以上［５，６】。??随着电池结构的不断优化和材料的不断创新，近年来，电池能量密度得到??持续提升ｒｎ。宁德时代在２０１８年己推出１６０Ｗｈ／ｋｇ的ＬＩＢ系统，预计２０２０年??将超过１８０Ｗｈ／ｋｇ；比亚迪在２０１９年主要生产三元方形ＬＩＢ，其可达２３５Ｗｈ／ｋｇ??以上。但高能量密度的电池会造成充电时间的增加，为了应对这一问题，国际??上相继推出了拥有超快速充电功能的产品。如图１－３所示，瑞士?ＡＢＢ集团在??２０１８年４月发布了高达３５０千瓦的电动汽车充电技术Ｔｅｒｒａ?ＨＰ，宣称只需充电??８ｍｉｎ就可以获得２００ｋｍ的续航里程；在２０１８年Ｉｏｎｉｔｙ公司和Ｅｌｅｃｔｒｉｆｙ?Ａｍｅｒｉｃａ??公司分别建立了欧洲和加州的首个超快速充电站，其充电功率都可达３５０ｋＷ；??保时捷对外公布了支持８００Ｖ和３５０ｋＷ直流充电功率的Ｍｉｓｓｉｏｎ?Ｅ概念车，并??打算于２０２０年投入生产。??（ａ）．?ＡＢＢ?Ｔｅｒｒａ?ＨＰ超快速充电技术?（ｂ）．?Ｉｏｎｉｔｙ公司超快速充电站??ｍ??（ｃ）．?Ｅｌｅｃｔｒｉｆｙ?Ａｍｅｒｉｃａ超快速充电站?（ｄ）．保时捷Ｍｉｓｓｉｏｎ?Ｅ概念车??图１－３国际超级充电技术??３??
?第１章绪论???ｌ／Ｃｉ?＿?＋ＬＶＶ??ＩＩＬ?＼?４?２??ｚ?：??ｌ．ｏ￣￣ｒ７＾￣Ｌ??ｉ?电电流?２－５??〇－ｉＨ?Ｉ?—Ｉ，??预充区恒流区?恒压区?ｔｌｓ??图１４ＣＣ－ＣＶ充电方式??为了减少充电时间，同时也充入足够的电量，国内外许多学者从速度、效??率和安全性等角度展开了深入的研宄，推出了许多快速充电方式Ｐ］，如阶段??ＣＣ、脉冲、负脉冲和间歇充电等方式。??阶段ＣＣ充电：阶段性的减小ＣＣ充电电流的方式，由多个ＣＣ充电方式相??结合而形成（图１－５）。一般在首个ＣＣ阶段采用大倍率，以至于在较短的时间??内为电池充入大部分电量，当达到截止电压时，转为下一小倍率的ＣＣ阶段，??反复如此，直到减小到预设截止电流时停止充电。可以发现，在阶段ＣＣ充电??过程中电池一直处于ＣＣ充电状态，整体充电速率较快，同时阶梯分布的ＣＣ??充电阶段也有效的缓解了电池内部极化。为了缓解电池内部极化，在充电过程??中加入短暂静置而形成了脉冲充电法１｜４＊１６］。??脉冲充电：在初期以大倍率的ＣＣ方式充电，当达到预设的截止电压时静??置时间后以脉冲方式充电（图１－６）。在脉冲循环过程中，ＣＣ充电阶段所费??时间会越来越少，当少于设定的截止时间以下时停止充电。脉冲充电方式控制??较为复杂，由于存在静置阶段，充电时间也较长，但可以有效的缓解电池极化，??电池寿命会更长【１７］。为了更快速的消除电池内部极化，除了上述的静止去极化，??研究者在静置阶段又加上了短暂的放电阶段，这样强制的消除电池极化的方式??称为负脉冲充电方式。??负脉冲充电：在脉冲充电方式的静置阶段增加一个短时间的放电阶段［１８］??
本文编号：3339556
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