锂离子动力电池电热耦合特性理论与实验研究

The study on electrochemical reaction mechanism, heating mechanism and electro-thermal coupling characteristics of lithium-ion batteries is the basic point for the power battery thermal management systems research. To study lithium ion kinetics, temperature field and electric field during charge and discharge process and the interaction law between them has great significance for improving safety performance temperature field uniformity in the power battery packs. The existing models of lithium ion battery cannot describe the electrochemical and heat transfer mechanism accurately and have their flaws in model simplification because most of those models lack the enough description in the lithium ion kenetics and electrochemical reaction mechanism in the electrode interface and active materials. Furthermore, heat storage and dissipation of high-thermal conductivity phase change materials during charge and discharge process have complicated nonlinear convective heat transfer phenomenon accompanied by phase change and moving boundary. In this project, theoretical and experimental studies will be conducted. A theoretical model coupling electrochemical reaction, heat generation and heat transfer during charge and discharge process will be developed. This model will explain the mechanism of the heat effect of lithium ion power battery as well as the heat transfer between batteries and phase change materials during setting and melting process. In addition, several important parameters which have a strong influence on temperature distribution and temperature field uniformity in battery pack will be investigated to guide the optimal design for phase-change and low-temperature thermal management systems for lithium ion power battery.

锂离子电池的电化学反应机理、发热机理以及电热耦合特性才是动力电池热管理研究的根本切入点。探究电池充放电过程中的反应物生成物扩散动力学及其与温度场、电场之间的作用规律，对于提高电池的安全性能、实现动力电池组内部温度场均匀性具有重要意义。目前对于锂离子动力电池电化学与传热机理认知的不清晰，模型简化不完善，特别是关于锂离子在固液相化合物中的扩散动力学和电极材料界面的电化学机理还缺乏足够的认识，而且高导热相变材料在电池充放电过程中的蓄热与散热存在复杂的伴有相变、移动边界情况的非线性对流换热现象。本课题力图通过理论和实验研究，建立电池充放电条件下电化学反应和生热传热耦合的理论模型，从本质上阐释动力锂离子电池热效应的作用机理，分析相变储能材料凝固与熔化过程及与锂离子电池间的传热机理，提出影响电池温度分布和提高电池组温度均衡化的重要参数，用以指导锂离子动力电池相变热管理及低温热管理系统的优化设计。

本项目通过理论和实验研究，建立了锂离子动力电池电化学和生热传热耦合理论模型，阐释了电池热效应作用机理，分析了相变储能材料熔化过程与传热机理，提出电池组温度均衡化的重要参数，用以指导锂离子动力电池相变热管理优化设计，对于增加电池容量和寿命具有重要意义。.　 首先通过电化学-热耦合模型计算分析了动力电池放电过程中的生热速率、电势分布、电化学反应速度等对电池产热和放电均匀性的影响，引入电池放电均匀性指数；实验研究了放电倍率、三种热管理方式以及环境温度对锂电池表面温度的影响；分别开展了单介质及复合介质相变材料蓄热过程的实验研究和数值分析，对比了相变材料蓄热特性包括相变响应时间、蓄热时间以及温度分布等，泡沫铝或泡沫铜的添加提高了复合相变材料的相变响应速率，使相变材料的蓄热能力能够更快速且充分的得到利用, 尤其是在热流方向及高度方向；同时开展了相变过程的理论分析，获得了单介质石蜡和泡沫铝/石蜡复合相变材料一维相变过程的理论解，并与实验进行了对比；计算分析了均匀孔隙率和梯度分布孔隙率泡沫金属复合相变材料的蓄热密度和蓄热速率，分析了热特性参数的变化规律；研究了在高倍率放电条件下，复合相变材料热管理方式对电池表面温度的控制情况，并研究了在被动热管理系统中加入主动冷却方式以加快石蜡的凝固使其恢复冷却能力，从而更有利于电池在实际循环过程中的应用。.　 研究工作达到了项目预期的研究目标，本项目截至结题已发表研究论文7篇，其中SCI检索期刊6篇（含1篇ESI高被引论文），EI检索期刊1篇，培养已毕业硕士研究生5名。