计及不均匀发热与温度分布的锂离子单电池电化学热力学耦合三维有限元模型

张立军，李文博，程洪正

目的：作为电动汽车的核心部件，锂离子电池因其优异的综合性能而备受关注。然而当电池温度分布极不均匀或温度过高过低时，可能导致电池损坏乃至安全事故。而对于锂离子电池温度场的预测方面，电池多层三维结构尺寸的跨尺度建模较为困难。本文利用基于相似原理的电池多物理场有限元建模与分析方法，建立了具备分层结构的锂离子电池电化学热耦合模型，探索了锂离子电池内部分层结构发热分布与温度场分布。方法：利用有限元法与温度场相似准则建立具有分层结构的三维锂离子单电池温度场模型，然后建立具有分层结构的一维电化学生热模型，并将电化学生热模型所计算出的正负多孔电极的电化学热、正负集流板和隔膜的欧姆热分别传递到温度场模型的相对应各层。首先，建立具备分层结构的三维锂离子温度场模型，该模型由正极集流板、正多孔电极、隔 膜、负多孔电极、负极集流板五层构成，并将该三维锂离子单电池在厚度方向拉伸1000倍，并利用锂离子电池温度场相似准则，将建立锂离子电池温度场模型所需的Z方向（即电池厚度方向）热传导系数扩大1000倍、对流换热系数扩大1000倍、并保持生热速率不变，其余方向热传导系数、对流换热系数均保持不变，其中电池的生热由欧姆热、极化热和可逆热构成。然后，建立一维电化学模型，该模型由正极集流板、正多孔电极、隔膜、负多孔电极、负极集流板五层构成，每层的生热分别传入所建立的三维温度场模型中计算锂离子单电池的温度分布，然后将各层温度再传入一维电化学模型中，用于计算电化学过程各参数的变化。通过迭代计算。获取电池温度分布随时间的变化历程。结果：对单电池在 1C放电工况进行仿真分析以得到如下结果：（1）从总体温升特性的角度分析可知，在整个放电过程中，电池的平均温度呈非线性上升，这是因为电池的温度升高会引起电化学参数的变化进行引起发热量的变化；且电池的正负极极耳处平均温度在整个放电过程中一直高于其他各层，这是由于正负极极耳处电流密度较大造成的。（2）从温度不均匀性的角度可知，锂离子单电池最大温差随放电时间增大，但放电结束时其最大温差仅为0.3 K左右，即电池温度在总体上较为均匀。各层的最高温度均集中于中线偏上的位置。（3）针对各层的生热特性进行分析，可以看到，正负极生热速率均随放电进行而增大，其中负极生热速率变化较大。（4）针对不同生热机理进行分析可知，正负极电化学热中可逆热变化较大而不可逆热变化较小，且负极的不可逆热在放电中一直大于正极的不可逆热。结论：建立了锂离子单电池的一维电化学和基于相似原理的三维热耦合模型，并进行仿真分析，发现应用所建立的模型进行锂离子单电池的温升特性与生热特性是可行的；在恒流放电工况下，单电池厚度方向温度较为一致，但平面方向的温度由中心向边缘逐渐降低，且极耳处存在热集中；放电过程中各层平均温度与平均生热均呈上升趋势，且放电后期负极生热，尤其是负极可逆热占主导地位。

来源出版物：汽车工程, 2015, 35(12): 1382-1389

入选年份：2015