本文關(guān)鍵詞：鋰離子動力電池?zé)帷娀瘜W(xué)耦合特性分析及有限元模擬，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：本文以26Ah軟包型三元鋰離子動力電池為研究對象,在對鋰離子電池本征熱特性的研究基礎(chǔ)之上,進行動力電池在熱濫用方面的探索和研究。首先,在絕熱環(huán)境和恒溫環(huán)境條件下,研究了鋰離子動力電池在充放電過程中的熱特性。對絕熱環(huán)境和恒溫環(huán)境下動力電池在不同倍率充放電過程中溫升進行測量,從而對過程中的產(chǎn)熱量和產(chǎn)熱速率進行定量計算,并進一步比較不同環(huán)境溫度和充放電倍率對電池?zé)崽匦缘挠绊憽３顺Ｒ?guī)充放電循環(huán),還進行了電池在過充電條件下的熱特性研究。其次,對電池不同濫用條件下發(fā)生熱失控的臨界狀態(tài)進行分析,主要針對動力電池在不同荷電狀態(tài)以及不同生命周期下的電池在發(fā)生熱失控時的臨界點溫度和電壓突降點,并進一步計算了熱失控反應(yīng)的表觀活化能。最后,基于有限元方法,利用ANSYS建模軟件建立了動力電池在不同倍率下放電過程中的二維熱模型,并模擬和預(yù)測了電池在不同充放電條件下的溫度場分布。研究主要結(jié)果如下:(1)在擴展加速量熱儀(EV ARC)的絕熱環(huán)境下,首先測得26Ah軟包型單體電池的比熱容值為1242 J kg-1 K-1,根據(jù)所測得的比熱容值,采用電化學(xué)量熱法定量測得鋰離子電池在不同充放電倍率下的產(chǎn)熱量。同時,利用溫度箱的恒溫條件測試電池表面溫度分布,結(jié)果表明電池表面表面最高溫度位于電池幾何中心位置。另一方面,鋰離子電池在放電倍率較小時,電池表面的溫度分布差異不明顯梯度不大;而隨著放電電流增大,電池溫度梯度也隨之增大。(2)在EV ARC絕熱環(huán)境下,研究電池在5.2A、13A、26A及52A電流下充電過程至過充熱失控時的熱行為,同時分析過充電過程中不同階段的熱特性規(guī)律。結(jié)果表明,在電池過充至4.2V進入第二階段后,電池溫升速率開始不斷增大,電池內(nèi)部正負極材料發(fā)生反應(yīng)并不斷產(chǎn)生氣體。直至電池過充到達5V左右溫升速率接近10℃/min,進入快速發(fā)熱階段,此時電池將在短時間內(nèi)發(fā)生熱失控。(3)結(jié)合HPPC測試和交流阻抗測試兩種方法,利用EV ARC來研究不同循環(huán)周期下動力電池的電化學(xué)行為和熱失控行為并進一步考察電池的熱穩(wěn)定性和安全性。結(jié)果表明,電池經(jīng)過常溫下1000周循環(huán)后容量下降至83%,直流內(nèi)阻隨循環(huán)次數(shù)增加而增大。從熱失控曲線來看,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,電池自產(chǎn)熱溫度呈現(xiàn)總體下降,這說明了不斷循環(huán)老化的電池SEI膜熱穩(wěn)定逐漸變差。同時,通過鋰離子電池自產(chǎn)熱的表觀活化能計算得出,荷電狀態(tài)越高,電池?zé)崾Э胤磻?yīng)的表觀活化能越低,進而反映了荷電狀態(tài)對電池?zé)崾Э胤磻?yīng)產(chǎn)生了顯著的影響。(4)利用有限元軟件模擬出電池溫度分布情況。通過在恒溫箱內(nèi)不同環(huán)境溫度下測試電池恒流放電結(jié)果,與模型結(jié)果進行驗證,在此基礎(chǔ)上進一步對電池溫度特性進行分析,并得出以下結(jié)論。從模型得出的結(jié)果以及紅外熱成像結(jié)果表明,電池表面最高溫度集中在電池中心位置,越靠近邊緣溫度逐漸減小。在位于電池表面中心位置,該點溫度隨著時間呈現(xiàn)非線性變化,同時隨著放電電流增大,溫升幅度也越大。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 電化學(xué)量熱法 熱失控 有限元方法 熱模擬
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O646;TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 鋰離子電池12-17
• 1.2.1 鋰離子電池的工作原理12-13
• 1.2.2 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與特點13-15
• 1.2.3 鋰離子動力電池?zé)崾Э乩碚?/span>15-17
• 1.3 鋰離子電池的熱穩(wěn)定性和安全性17-21
• 1.3.1 正極材料18-19
• 1.3.2 負極材料19-20
• 1.3.3 電解液20-21
• 1.3.4 安全性裝置21
• 1.4 鋰離子電池?zé)崮M研究21-24
• 1.4.2 電化學(xué)-熱模型21-23
• 1.4.3 電-熱模型23
• 1.4.4 熱濫用模型23-24
• 1.5 論文的研究目的與主要研究內(nèi)容24-26
• 第2章 實驗材料和方法26-32
• 2.1 實驗樣品及儀器26-27
• 2.1.1 樣品的選擇26
• 2.1.2 實驗儀器26-27
• 2.2 樣品基本性能評估27-30
• 2.2.1 放電容量及能量測試27-28
• 2.2.2 HPPC測試28-30
• 2.2.3 交流阻抗測試30
• 2.3 電化學(xué)-量熱法30-32
• 第3章 鋰離子動力電池充放電過程中熱特性研究32-44
• 3.1 EV+ARC32-33
• 3.1.1 EV+ARC的工作原理32-33
• 3.1.2 EV+ARC的校準33
• 3.2 絕熱條件下充放電循環(huán)過程中的電池?zé)崽匦?/span>33-37
• 3.2.1 比熱容實驗33-34
• 3.2.2 充/放電量熱測試34
• 3.2.3 量熱分析34-36
• 3.2.4 多項式擬合36-37
• 3.3 恒溫條件下充放電循環(huán)過程中的電池?zé)崽匦?/span>37-40
• 3.3.1 實驗37-38
• 3.3.2 結(jié)果與討論38-40
• 3.4 不同倍率過充條件下的電池?zé)崽匦?/span>40-42
• 3.4.1 實驗40-41
• 3.4.2 結(jié)果與討論41-42
• 3.5 本章小結(jié)42-44
• 第4章 鋰離子動力電池的熱失控特性研究44-53
• 4.1 鋰離子熱失控實驗44-45
• 4.2 不同生命周期下的電池?zé)崾Э匦袨?/span>45-49
• 4.2.1 實驗45
• 4.2.2 結(jié)果與討論45-49
• 4.3 不同荷電狀態(tài)下的電池?zé)崾Э匦袨?/span>49-52
• 4.3.1 實驗49
• 4.3.2 結(jié)果與討論49-52
• 4.4 本章小結(jié)52-53
• 第5章 鋰離子動力電池充放電過程中有限元熱模擬53-61
• 5.1 有限元方法(FEM)簡介53-54
• 5.1.1 熱分析方法53-54
• 5.1.2 FEM的基本思想54
• 5.2 ANSYS有限元分析54-56
• 5.2.1 ANSYS軟件簡介54
• 5.2.2 ANSYS熱分析基本理論54-56
• 5.2.3 ANSYS熱分析過程56
• 5.3 鋰離子電池?zé)崮Ｐ偷慕?/span>56-58
• 5.3.1 內(nèi)部生熱率的確定56-57
• 5.3.2 模型網(wǎng)格的劃分57
• 5.3.3 邊界條件的建立57-58
• 5.4 模型預(yù)測結(jié)果與實驗驗證58-60
• 5.4.1 溫度分布預(yù)測58
• 5.4.2 溫度變化預(yù)測58-60
• 5.5 本章小結(jié)60-61
• 結(jié)論61-63
• 參考文獻63-70
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文與研究成果清單70-71
• 致謝71

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