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原文传递电动汽车三元锂离子电池的电化学--热特性分析与优化设计研究

论文题名：	电动汽车三元锂离子电池的电化学--热特性分析与优化设计研究
关键词：	电动汽车;动力电源;三元锂离子电池;优化设计;电化学特性;热学特性
摘要：	近年来，三元NCM锂离子电池因其高的能量密度，而成为新能源汽车动力电源的首选。但是它的热安全性和热稳定性也受到了广泛的关注，由于电池内部电化学反应和热特性不能通过实验直接测量研究。因此，有必要使用数字仿真模拟技术来解决这些挑战。由于温度在放电过程中不断地发生变化，会直接影响电化学模型中的某些特定参数的变化，因而仅凭电化学模型难以获得准确可靠的结果。因此，建立电化学模型和热模型之间的耦合至关重要。基于此，本论文将电化学模型与热模型耦合，建立了3D有限元平均电化学热耦合模型来研究电池的电化学和热特性。此外，通过多参数的优化技术来改善电池热性能。主要研究内容如下：　　首先，以30Ah NCM三元锂离子电池为研究对象，对其进行了性能测试，包括放电测试和直流内阻（DCR）测试等，以确保其电化学性能和热性能满足研究要求。从这些测试中获得的参考数据，即放电过程中的电压变化和温升变化，用于验证所开发模型的准确性和有效性。　　其次，在COMSOL Multiphysics?5.4上建立了30Ah电池的3D有限元平均电化学热耦合模型，并通过实验数据验证了其准确性和有效性。在电压和温升方面该模型实验与仿真曲线结果一致，从而验证了其有效性和可靠性以模拟准确的结果。　　再者，通过使用已开发的3D耦合模型，利用6个电池几何和材料参数对内部电化学现象和热特性的影响进行了详细分析和讨论。这6个参数分别为：放电倍率C，初始温度Tinitial，电池的厚度Lbat，正极活性物质的粒径dpos，正极的厚度Lpos，以及正极中固相的体积分数?s,pos。由于研究的重点是三元阳极LIB，因此只选择与正极相关的参数进行讨论。从电化学性能的角度，研究了所选参数对放电容量曲线、沿电极的电解质和锂离子浓度分布、沿活性物质颗粒半径的范式等效应力分布以及电极中电流密度的分布的影响。此外，从热特性的角度，研究了参数对单电池及其各个部分中的发热、电池容量变化和热分布的变化的影响。结果表明：C和Tinitial对电池的放电容量和电压有显著影响；电池内部金属结构产热与该处电流密度有关；电池的散热能力随着长径比的增加而降低，而长径比的增加则会导致电池的热积累、热梯度和温度的升高；固相体积分数与电极厚度对电池电化学特性与热特性影响相一致；较高的换热系数虽然提高了电池的安全性，降低了电池的温度，但也会导致电池的电化学和热特性之间的不均匀性。　　最后，优化上述参数以改善电池的热性能。在此过程中，将多参数优化模型与响应面方法（RSM）结合使用，从而最大程度地降低电池温度升高。参数的最佳值用于单电池模型，以确保多参数优化模型的可靠性。结果表明，优化之后，电池温度温升下降了10％。
作者：	Ashwani Saini
专业：	机械工程
导师：	栗欢欢
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文