多物理场锂离子电池的热电建模.doc

摘要：电池内部分布的物理化学特性对电池性能有很大的影响。但是，这些属性很难通过实验测量。热管理对于电池安全性和确保其较长的使用寿命至关重要，高温通常会加快电池的退化速度，缩短电池的使用寿命，因此功率较高的应用可能需要主动式冷却。热管理还需要避免单个电池内部出现较大的温度梯度，同时也要避免电池组之间的温度差，这样可能会导致电流密度的分布不均匀和老化程度不同。

本论文模拟充放电循环期间以及随后松弛阶段的空气冷却柱状 18650 锂离子电池。使用一维单电池模型来模拟单电池化学性质，对电池温度进行建模则使用二维轴对称模型。通过将这两个模型产生的热源和平均温度耦合在一起。利用这种电池模型，研究了电池内部物理化学性质的空间和时间分布。

采用多物理场耦合建模分析软件 COMSOL，通过建立一维单电池模型和二维轴对称模型再将两个模型通过产生的热度和平均温度耦合。仿真得到锂离子电池物理场和电化学特性的变化，分析产生热失控的原因提出了保障热安全的条件，从而为锂离子电池的设计、制造和使用提供了指导。

结果表明，在对18650锂离子电池进行仿真操作之后，给出的温度图表明最高温与最低温之间的温差不会超过3K，充电与放电之间加热速率的差异是由充放电反应的熵变差异引起的。同时最高温度在1500s时出现在电池内部的活性材料上。我们可以分析得到随着过充电的程度的增加电池的性能将会迅速降低。由此可知，锂离子电池在正常充放电条件下失效的主要原因是因为容量的衰减，特别是长期在较大电流倍率下运行将会加速锂离子电池的容量衰减。

仿真工作对于锂离子电池的应用提供了很多有益的结果：锂离子电池的热安全性取决于诸如设计，材料，结构，制造，使用等诸多因素。结构优化，材料选择，制造改进和应用保护措施等方法可以减少热失控的风险。电池结构和材料的改进可显着提高抗过充和高温的能力。监测或保护装置可以有效避免短路和过充情况。极端工况下的安全性能分析可以提高设计效率，降低开发成本，保证安全使用。

关键词：锂离子电池，电池电位和负载循环电流，温度变化，温度分布

目录

摘要

Abstact

1 引言-1

1.1 锂离子电池介绍-2

1.2 锂离子电池国内外的发展现状-4

1.3 问题的提出及研究的意义-5

1.3.1 问题的提出-5

1.3.2 研究的意义-6

1.4 研究对象的选择-6

1.5 研究软件的对比与选取-6

2 模型定义-9

2.1 单电池模型（一维）-9

2.2 轴对称模型（二维）-9

2.3 优化-11

2.4 电荷守恒-12

2.5 质量守恒-13

2.6 电化学动力学-14

2.7 能量守恒-14

3 仿真结果与讨论-16

3.1 模型一的仿真结果-16

3.2 模型二的讨论结果-18

4 结论与展望-23

参考文献-24

致谢-26