车用高比能锂离子电池电化学—热特性研究

随着新能源汽车性能的逐渐提高,车用锂离子电池的比能量也越来越高,这也使得电池在使用过程中产生更多的热量从而影响电池的使用性能和寿命,甚至造成安全隐患。因此对电池的电化学热特性进行研究,对指导电池热管理及电池设计具有重要的意义。围绕锂离子电池电化学热特性的研究,本文开展了以下研究工作:对试验用11 Ah锂离子电池进行了容量标定、HPPC(Hybrid Pulse Power Characteristic)测试、恒流工况及脉冲工况测试、电化学反应熵热系数试验。对试验结果进行分析,结果表明:电池的容量受温度和放电倍率影响较大;电池的熵热系数随DOD(Depth of Discharge,DOD)的增长先上升后下降,并在50%DOD时达到最大值;不同测试环境下电池中心温度最高。根据电池电化学模型的建模方程,基于Comsol软件建立了锂离子电池的电化学模型,并基于试验数据对模型进行了标定和验证。模拟得到的电池容量与试验相比几乎没有误差,电压的最大误差为2.06%。同时,通过温度修正因子调节,使所建电化学模型可用于不同温度及工况下电池电化学特性研究。基于此模型系统地研究了12个可调参数对电池的电化学特性的影响。研究结果表明:电池的平均电流密度、正负极厚度、正负极最大可嵌入锂浓度、正负极初始嵌入锂浓度对和正极粒子半径电池的容量和电压具有较大的影响;而电池的隔膜厚度、负极粒子半径、SEI膜内阻和初始电解质盐浓度对电池的容量影响不大,略微影响电池的电压;与负极材料相比,正极材料的参数对电化学热特性的影响更大。基于Comsol软件建立了锂离子电池的电化学-热耦合模型,利用不同温度下的试验数据对恒流放电仿真结果进行了验证。结果表明,建立的电化学-热耦合模型可用于不同温度及工况下电池热特性研究。基于所建电化学-热耦合模型系统地分析了模型中8个可调参数对电池热特性的影响,并得出了以下结论:电池的平均电流密度、对流换热系数、正极厚度和正极初始嵌入锂浓度对电池的温升影响较大,而负极厚度、正极粒子半径、比热容和密度对电池的温升影响较小;电池的对流换热系数对电池放电结束时的等温线影响较大,随着对流换热系数的增大电池的温升会下降,但是电池的温度分布均匀性会变差。