论文部分内容阅读
由于传统能源日趋紧张,不可再生,节能减排又对新型能源提出更高要求,因此,发展新能源产业势在必行。其中,锂离子电池是新能源产业实现的关键,并且已经在日常生活中广为应用,对汽车行业而言,利用新能源锂离子电池作为动力代替燃油汽车发动机是大势所趋。锂离子电池具有能量密度高、安全性能好、使用寿命长、清洁无污染等特点,成为了新能源汽车和电子设备等行业的研究热点。其中,电池正极材料对电池性能方面影响较大,关系到电池的温度、容量、功率、寿命、内阻、循环特性等多方面问题。目前,研究人员广泛借助实验方法研究正极材料对电池性能的影响,围绕电池组分材料、电池热管理、电池极端条件等多方面展开研究,但由于实验方法效率低成本高,且大都基于电池表面的宏观表象,只能获取电池表面温度分布,无法深入探究电池内部电化学反应以及温度等问题。因此,为了系统探究电池正极材料对电池内部电化学以及温度影响,本文从数值仿真模拟角度研究电池内部温度变化,同时基于多场耦合模型开展了电池模组冷却方面的研究。本论文主要针对18650圆柱电池单体的正极材料进行电热模拟研究,在研究的基础上进行各正极材料的多方面分析,最后基于多场耦合模型对电池模组以及排布方式进行模拟分析。主要从以下几项展开阐述:（1）从单体电池的角度,利用多物理场模拟软件和基于电化学热耦合的Newman模型建立锂离子电池的模型。研究对比多种锂电池正极材料充放电的热行为,研究LiCoO2（LCO）、LiFePO4（LFP）、LiMn2O4（LMO）、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2（NCM）五种正极材料的热稳定性和热安全性,确定较好的并且热稳定性较强的材料。（2）基于COMSOL软件电化学模型,从电池性能的角度,如:容量、功率、内阻等,对电池正极材料NCA和LFP进行分析,研究正极材料与这些电池性能之间的关系。（3）基于数值模拟,对具有合适的正极材料NCA锂离子电池模组进行模拟探究。基于电化学—热—流场多场耦合,在风冷条件下,研究了电池组温度与进风速度,电池之间间距以及电池的排布方式之间的关系。（4）对交叉排布进行风冷设计,对进风口和出风口方向进行设计分析。对交叉排布的方式与线性排布方式冷却效果进行对比分析,在保证四节电池的工况完全相同的条件下,确定较好的电池模组排布方式。综上,本文利用多物理场模拟软件和基于电化学热耦合的Newman模型建立了锂离子电池的模型,基于COMSOL电化学仿真方法,对电池单体内部温度、电池性能以及电池模组进行模拟探究。确定了较好的热稳定性材料,揭示正极材料与电池性能之间的关系,并得到较好的电池模组冷却方式,对锂电池研究方向与方法具有一定的指导意义。