电动汽车锂离子电池电化学—热场耦合模型研究

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。