锂离子电池组的三维电化学-热耦合仿真分析北大核心CSCD

锂离子电池广泛用于新能源汽车等领域。为了便于设计高效的电池热管理方案,提高电池耐久性,建立了三维电化学-热耦合模型,该模型能够从时间与空间上反映电芯产热率与电池单体温度分布,用于预测极片不同部分的电特性与电池单体温度分布。3个单体并联的电池组热模型由3个单体尺寸的热模型组成,每一个热模型皆与极片尺寸的三维电化学模型耦合。实验数据验证了该三维电化学-热耦合模型的有效性。其中,电池单体端电压平均绝对误差不超过0.016 V,温度的平均绝对误差不超过0.36℃;电池组各表面的温度平均误差不超过0.40℃。深入分析表明:正极材料中的电流密度与放电深度和电化学反应区域有关。在放电的前中期,电化学反应区域主要在凸缘处,此时凸缘处电流密度最高;在放电后期,电化学反应区域主要在正极材料的底部,此时底部的电流密度大于凸缘处。此外,电池组的温度不是电池单体温度数值上的简单叠加,中间电池温度比两侧电池温度高,且在电池组边界条件一致时,两侧电池温度成对称分布。电池组之间存在空气不流通而引起的温度聚集效应。减少电池组间的空隙、在其中加入热导率大的材料作为传热介质能有效降低中间电池的温度。     

基于电化学-热耦合模型的锂离子电池组件产热分析北大核心CSCD

研究电池电化学过程产热对锂离子电池的热管理至关重要。本工作建立了三元NMC锂离子电池的电化学-热耦合模型,首先通过对该电池进行不同倍率的放电与温度实验测试,验证了该模型在电压和温度变化预测准确性。然后针对不同温度下的表现进行模拟仿真研究。在室温下,无论倍率大小,负极产热总是小于正极产热,虽然负极的极化热高于正极,但其可逆吸热较大,导致产热水平低于正极。而随着放电倍率的增加,正极产热所占比例减小,负极所占比例先增加后减小,而集流体产热所占比例持续增加。然而,低温条件下的电池放电表现出与室温情况不同的产热特性,首先,低温导致低倍率负极产热率比例大大增加,负极可逆热为总可逆热的主要贡献热。而高倍率负极产热率减少,正极则呈相反趋势。其次在低温下放电时间随倍率增加呈现不同趋势,高倍率下放电电压快速降低导致放电不完全,在低倍率0.5~1 C放电运行时出现了电压反弹现象但基本放电完全,这是由于低温限制了负极颗粒内部锂离子及时向外扩散,造成电阻增加与电压快速降低,同时大量产热导致自身温升,从而在低倍率下获得电压反弹并保持持续放电的能力。     

基于锂离子电池热失控模型的电热耦合滥用条件分析

由锂离子电池热失控引发的各类安全问题是目前电动汽车和大规模储能电站继续推广的一大瓶颈.电、热滥用是引发电池热失控的关键原因,研究锂离子电池的热失控现象对保证锂离子电池安全运行意义重大.基于锂离子电池热失控模型,系统研究了充电倍率、环境温度和散热条件等因素对锂离子电池热失控过程中电、热响应特性的影响.结果表明,相较于常温下的过充热失控过程,在过充-过热耦合作用下,电池热失控SOC会有所降低,当处于极端高温环境时,热失控在电池未充满阶段即可发生.在过热及低表面换热环境下,充电倍率对电池热失控SOC影响不大;在过热及自然对流环境下,随着充电倍率增加,电池热失控SOC提高,热失控时间提前.本研究为可靠的电池安全预警技术开发提供了支持.     

锂离子电池热效应模型的研究进展

锂离子电池充放电过程中会产生大量的热,若不及时散热会严重影响到电池的整体性能和寿命,严重时还会引发安全问题。文中阐述锂离子电池热效应模型的研究进展,认为在对锂离子单体进行数值模拟时,应从正极板、负极板和隔膜等简化的均匀发热体过渡到分层、细化、精确的模拟;加大对低温及特殊条件下锂离子电池热行为的探究;电池使用环境的精确仿真模拟将会成为人们今后努力的方向。     

电动汽车用软包动力锂电池热-结构耦合分析

建立了方形锂电池瞬态产热模型,将软包锂电池简化为各向异性的叠层式复合材料,确定了模型中的热物性参数和力学参数;使用ANSYS软件,利用顺序热-结构耦合方式,模拟了电池瞬态温度场和热应力场分布。研究结果表明,电池中心区域温度较高,且受压应力,侧边温度较低,且受拉应力;电池各边出现应力集中,且最大Mises应力随放电电流增大而增大,随环境温度升高而减小;最大形变发生在电池高度方向两端,且随放电电流增大和环境温度升高而增大。     

基于三维电化学热耦合析锂模型的锂离子电池参数设计

锂离子电池负极析锂可能会诱发热失控,进而导致安全事故。而通过优化电池设计参数能够有效减少析锂副反应的发生,因此本工作提出一种基于三维电化学热耦合析锂模型的锂离子电池参数设计优化方法。首先,将模型参数进行分类,分别采用实验、精确测量、文献查找和参数辨识等方法获取相应的参数。同时加入可逆锂重嵌入机制和产热模型,建立三维电化学热耦合析锂模型。模型建立完成后,对模型精度进行验证,验证结果表明模型可以较好地模拟电池在常温和低温下端电压的变化,并且能够定量描述在低温大倍率充电期间电池内部的析锂程度、温度分布等非均一现象。最后,通过分析电极尺寸和极耳位置,研究电池设计参数对非均一析锂的影响。仿真结果表明：电极长度增加会导致电极区域温度差异和电流密度的不一致性增大,综合影响下使电池析锂时间略有提前,但对电池总体析锂程度影响较小;电池极耳位置处于长度方向的轴线对侧时能够有效缓解负极析锂,相对析锂程度降低了16.7%。     

基于改进贪心算法的温差电器件电-热耦合效应研究

温差电器件实际工作时由于内电阻的存在不可避免地会产生焦耳热,传统的温差电研究中虽注意到温差发电过程中的焦耳热现象,但只是在等效计算热功率时消去焦耳热部分,而忽略了焦耳热对温差电器件热、冷端温度分布的影响。针对传统研究的不足,考虑实际应用中的电-热耦合效应,运用理论推导的方法建立了第三类边界条件下的温差发电负载模型,并利用改进贪心算法迭代求解,最后以SP1848-21745型温差发电片为例,通过试验验证了模型与算法的正确性。模型的数值求解与发电片实测结果对比表明,考虑了电-热耦合效应的温差发电负载模型的热电输出值更接近实测值。     

基于电化学热耦合模型的富镍锂离子电池产热分析

锂离子电池在工作过程中产生的热效应会影响其温度和电化学性能,并极大地影响电池的安全性和使用寿命.分析电池在放电过程的热特性变化规律及产热机制,评估电池内部不同性质的产热对温度变化的相互作用,对于电池热管理系统的设计起到至关重要的作用.因此,本工作以富镍三元锂离子电池为研究对象,建立了基于动态参数响应的电化学热耦合模型,...     

基于伪二维电化学-热耦合模型的锂电池热特性研究

锂电池放电过程中的产热受电池内部电化学反应和欧姆效应影响,电池产热由电池化学与动力学决定,而电池动力学依赖于电池运行条件和设计参数。锂电池的六个温度依赖性参数对锂电池的放电过程中的产热速率具有影响,包括固相活性颗粒和电解液中的锂离子扩散系数、反应速率常数、电极开路电压、电解液离子电导率、热力学因子和阳离子迁移数。基于LiFePO_4圆柱形电池建立了伪二维电化学-热耦合模型,研究电池在恒流放电过程中的产热速率,以及正极、隔膜和负极各部分的产热速率和所占比例。结果表明,总产热功率随反应热的波动而变化,其中正极电极层中反应热占比最大,负极电极层中极化产热所占比例高于正极,而隔膜中的产热主要来源自欧姆热。不同对流传热系数条件下,电池的表面温度和内部温度差都不同,因此要合理的采取电池热管理措施。     

基于流固耦合的气缸盖温度场仿真研究

以某高速大功率柴油机气缸盖为研究对象,建立了由气缸盖、气缸体、气缸套以及气缸盖内冷却水道组成的流固耦合系统;通过合理施加流体域及固体域边界条件,利用CFX进行流动与传热计算,得到了冷却水速度场、温度场以及气缸盖温度场,为气缸盖热机耦合的进一步研究提供依据。     

A novel electro-thermal coupled model of lithium-ion pouch battery covering heat generation distribution and tab thermal behaviours

This paper develops an electro-thermal coupled model for a pouch battery which considers the influence of the electric potential distribution and thermal behaviours of tabs on the distributions of heat generation and temperature. This model reflects the connection between electric potential distribution and the heat generation distribution. Then, the proposed electro-thermal model is used to predict the thermal behaviour of a lithium-ion pouch battery under the conditions of various discharge currents and environmental temperatures. Tests are implemented to verify the prediction precision of the proposed thermal model. The results show that the electro-thermal coupled model can accurately predict both the temperature distribution and its rise. At 1 C discharge rate, the average mean static absolute errors (MSAEs) in the positive and negative tabs for all the ambient temperatures are 1.083 K and 0.377 K, respectively, and the average MSAE in the battery body is only 0.627 K; at the discharge rate of 3.5 C, the respective average MSAEs are 1.643 K for the positive tab, 0.581 K for the negative tab, and 0.889 K for the battery body. Last, the influence of the thermal contact resistance on the prediction of the tab temperature is studied. If it is considered in the thermal model of tabs, the predicted tab temperature is closer to the tested value and the MSAE can be limited within 2.65 K for the positive tab and 0.83 K for the negative tab in the cases researched.     

Effect of the formation temperature on lithium-ion battery performance

为缩短锂电池生产工艺时间、节约成本,高温压力化成受到工艺人员的关注,本文以钴酸锂-石墨体系的软包装锂离子电池为研究对象,研究了高温压力化成工艺中温度对化成效果的影响。在某一压力作用下,采用不同化成温度,分析了不同化成温度对应的实际化成时间、化成电压、电压降以及电池倍率放电与高温处理的性能,结果显示化成温度越高,化成时间越长;在不同的温度下化成,对电池的循环性能及倍率性能影响不同。     

Review on heat generation theory model of lithium-ion battery

本文根据近年来锂离子电池产热特性方面的研究,详细阐述了锂离子电池产热的基本原理,并总结了国内外锂离子电池产热模型的研究现状。重点针对电化学-热耦合模型、电-热耦合模型以及热滥用模型进行了详细综述,并在此基础上对锂离子电池热效应的研究和产热模型的建立进行了展望。     

Simulation and verification of lithium-ion battery temperature changing process

针对软包锂离子电池放电过程中温度变化过程进行研究,依据电池产热基本理论,通过内阻实验及0.5 C放电倍率下的温升实验计算出瞬态生热率曲线,得出电池熵热系数,建立生热速率随放电深度不断变化的瞬态生热模型,基于该模型进行不同放电倍率的温度仿真模拟,并与实验进行对比。结果表明,温度变化模拟结果与实验相吻合,生热率变化模拟结果与实验计算值相符合,模型可以很好地模拟电池在不同放电倍率下的温度变化,对电池温升过程分析及电池热管理过程控制具有指导意义。     

低温辐射电热膜供暖的分析

顶棚低温辐射电热膜供暖应用越来越多，对这种供暖方式详细分析很有必要。从供暖室温和化学能利用率两方面详细讨论了使用顶棚低温辐射电热膜供暖节能效果，从安装费用、使用费用和维护费用三方面分析使用低温辐射电热膜供暖的经济性，然后对使用低温辐射电热膜供暖的环保作用、使用安全以及对人健康的影响进行了简单讨论。分析结果表明使用低温辐射电热膜供暖浪费能源，而且经济性较差，环保方面只是使污染区转移，有很小的火灾隐患，舒适性差，还是传统的管道集中供暖方式比较节能、经济和安全。     

基于场协同原理的容腔内气流场温度均匀化方法数值研究

为研究场协同原理对气流场温度均匀化的适用性,设计了一个温差可控并能形成具有梯度的气流速度场与温度场的加热器,然后在加热器整流区内布置3种特殊的整流网,利用Fluent进行三维数值模拟。结果表明,场协同原理对于提高气流场温度的均匀性是有效的,并依此原理提出了气流场温度均匀化的最佳方法。     

Research progress on capacitive lithium-ion battery

锂离子电池具有高的能量密度,而超级电容器则以高功率密度和长循环寿命为突出优势。电容型锂离子电池是在锂离子电池的正极中加入部分电容炭材料,在不显著降低能量密度的情况下,大幅度改善锂离子电池的功率特性和循环寿命,从而实现电容与电池技术的融合。本文综述了国内外近年来在电容型锂离子电池领域的最新研究进展,介绍了主要的电容型锂离子电池体系及其性能特点,并对其未来发展方向进行了展望。     

基于数值模拟的全钢活塞温度场研究

利用有限元分析软件MSC.NASTRAN,结合活塞传热边界条件,对某新型柴油机全钢活塞温度场进行了计算。通过与传统铝活塞的对比,验证了全钢活塞及其结构的可行性,为进一步分析活塞的机械负荷及热机耦合提供依据。