摘 要

在低碳环保的现代社会要求下，电动汽车作为一种极为符合当代社会需求的新能源交通工具应运而生，其中锂离子动力电池作为其最有发展前景的动力装置也得到了人们的广泛关注。锂离子动力电池应用在动力汽车的过程中出现的发热问题使得锂离子动力电池的发展陷入了瓶颈。电池使用过程中发热产生的高温会使内阻增大，电池可用能量急剧减小、，电池寿命缩短，严重时还会引发安全问题。因此对锂离子电池进行热研究对提高汽车的动力性、经济型和安全性都是十分有必要的。

本文以18650LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂三元材料锂离子电池为研究对象，通过实验探究了在不同环境温度、不同放电倍率下电池温度的变化规律。然后建立了基于戴维南等效电路的等效电路热模型，获得了仿真情况下的锂离子电池放电过程中温度变化及锂离子电池放电结束时刻温度分布。主要研究内容和结论有：

1. 在不同环境温度、不同放电倍率下，对三元材料锂离子电池进行放电性能测试，获得不同工况下锂离子电池的欧姆内阻和极化内阻数据、电动势温度变化系数数据。分析这些数据，发现：同一环境温度情况下，三元材料锂离子电池放电过程中欧姆内阻基本不随SOC的变化而变化；同一SOC情况下，三材料锂离子电池放电过程中电池欧姆内阻随温度的降低而升高；同一环境温度情况下，随着SOC的减小，电池极化内阻逐渐变大；同一SOC情况下，随环境温度的降低，三元材料锂离子电池的极化内阻逐渐升高，且SOC越来越小时，电池极化内阻的升高速度越来越快。
2. 通过建立三元材料锂离子电池的等效电路热模型，得到了锂电池放电过程温度变化及放电结束时刻温度分布图。发现：锂离子电池中心温度最高，温度沿电池的径向和轴向逐渐减小；当锂离子电池以小倍率放电时，电池内外温差极小，可忽略不计；当电池以大倍率3C或者低温较大倍率（2C）放电时，电池放电结束内外温差较大。通过对比实验与模型仿真得到的锂电池放电结束时刻温升，可以发现：所建立的等效电路热模型能较好的仿真电池放电温度变化。

关键词：锂离子动力电池；等效电；温度；热模型

Abstract

In the low-carbon environmental protection of modern society, electric vehicles as a very consistent with the needs of contemporary society, new energy transport came into being, of which lithium-ion battery as its most promising power plant has also been widespread concern The Lithium-ion battery applications in the process of power car fever problems make the development of lithium-ion battery into a bottleneck. The use of the battery during the heat generated by the high resistance will increase the internal resistance of the battery can be reduced dramatically, shorten the battery life, serious also lead to safety problems. Therefore, thermal research on lithium-ion batteries is necessary to improve the power, economy and safety of automobiles.

In this paper, 18650LiNi_{1 / 3}Co_{1 / 3}Mn_{1 / 3}O₂ ternary material lithium ion battery as the research object, through experiments to explore the different ambient temperature, different discharge rate of the battery temperature changes. Then, the equivalent circuit thermal model based on the equivalent circuit of Davidon is established, and the temperature change of the lithium ion battery during the simulation and the temperature distribution at the end of the discharge time of the lithium ion battery are obtained. The main research contents and conclusions are:

(1) Under different ambient temperature and different discharge magnification, the discharge performance test of the lithium ion battery of the ternary material was carried out, and the ohmic resistance and polarization internal resistance data and the electromotive force temperature change coefficient data of the lithium ion battery under different working conditions were obtained. Analysis of these data and found that: the same ambient temperature, the ternary material lithium-ion battery discharge process ohm internal resistance does not change with the SOC; the same SOC case, three lithium-ion battery discharge process battery ohm resistance The same as the ambient temperature, with the SOC decreases, the battery polarization resistance becomes larger; the same SOC case, with the ambient temperature decreases, the ternary material lithium-ion battery polarization within the same circumstances Resistance gradually increased, and SOC is getting smaller, the battery polarization resistance increases faster and faster.

(2) Through the establishment of the equivalent circuit thermal model of the lithium ion battery of the ternary material, the temperature distribution of the discharge process of the lithium battery and the temperature distribution at the end of the discharge time are obtained. Found that: lithium-ion battery center temperature is the highest temperature along the point of eating radial and axial gradually reduced; when the lithium-ion battery battery discharge at a small rate, the battery inside and outside the temperature difference is very small, negligible; when the battery at a large rate of 3C or a large temperature lower temperature, the end of the battery discharge temperature difference between the larger.It is found that the thermal model of the equivalent circuit can simulate the discharge temperature of the battery by comparing the temperature rise of the discharge time of the lithium battery obtained by the comparison experiment and the model simulation.

Key words: lithium-ion power battery; equivalent circuit;temperature field;thermal model

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 IV

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 电动汽车发展历程与现状 1

1.3 锂离子动力电池热研究现状 2

1.4 研究趋势 3

第2章 圆柱状锂离子动力电池介绍 4

2.1 锂离子动力电池的结构与工作原理 4

2.2 三元材料锂离子电池的材料特性 4

2.3 锂离子电池生热机理 6

2.4 本章小结 7

第3章 电池模型及动力电池性能实验 8

3.1 电池模型 8

3.2 单体电池性能试验 10

3.2.1 HPPC放电试验操作规程 10

3.2.2 电池电动势温度变化系数测量实验 11

3.2.3 欧姆内阻与极化内阻的计算与辨识 11

3.3 实验数据分析 14

3.3.1 电池温度和SOC对内阻的影响 14

3.3.2 SOC对电动势温度变化系数的影响 19

3.4 本章小结 20

第四章 锂离子电池等效电路热模型的建立 21

4.1建立锂离子电池热模型的必要性 21

4.2几何模型的建立 21

4.3等效电路热模型参数确定 22

4.3.1 18650三元材料锂离子电池各部分厚度 22

4.3.2 18650三元材料锂离子电池物性参数 22

4.4变量与函数的设置 23

4.5本章小结 23

第五章 温度场仿真与分析 25

5.1 圆柱状三元材料电池温度场的仿真 25

5.2 电池放电过程温升分析 27

5.2.1 电池放电过程温升图 27

5.2.2 电池仿真放电结束温升分析 29

5.3 实验与仿真电池结束温升比较 30

5.4 本章小结 31

第六章 全文总结 32

参考文献 33

致 谢 34

1. 绪论

1.1 研究背景与意义

汽车与人类发展正面临能源危机与环境保护两个问题，为了高效节能和低排放，以电动汽车为代表的新能源汽车逐渐成为汽车产品未来发展的新趋势。由于锂离子动力电池拥有众多的优点诸如电池比能量高，高温循环性好，造成污染小，自放电程度小，电池比能量高等优势，因而当前市场电动汽车上广泛地应用了锂离子动力电池作为其动力来源^[1]。动力锂离子电池作为电动汽车的关键零部件，它的工作寿命与性能直接影响到电动车的使用成本、续航里程和安全性等关键因素。动力锂离子电池的工作寿命和性能除了与其设计方式、材料选取有关外，还与电池系统的管理策略和使用方法有关系。对于电动汽车来说，可能会经历各种不同且环境多变的工况，这对电动汽车的动力源产生了考验，在这种工况下行驶的电动汽车的锂离子动力电池它的使用频率会很高，而且常常会处于大电流放电的工况，可能会对电池产生不良后果的状态，往往会产生电池温度过高的情况，进而会出现一些安全问题。要解决这些可能出现的一系列安全和电池寿命问题，就必须进行锂离子动力电池的热研究^[2]。

了解锂离子电池中的生热速率对于锂离子电池和系统的安全性和性能至关重要。电池性能，循环寿命和系统安全性都取决于电池中的温度分布，其依赖于电池内的热产生速率和电池表面的热移除速率^[3]。研究锂离子动力电池的热效应，对电池在放电过程中的电池内部温度升高情况以及电池放电结束时刻与放电起始温度升高之差进行分析，可以有效的了解电池体的温度分布^[1]，这有利于降低单体电池的不一致性，从而能够寻找到合适的方式来提高整个电池组的整体性能。优化电池组的散热系统的设计也是热研究的一个思路，这个过程就需要研究电池在充放电过程中的放热量，分析过程放热量，就得分析电池充放电过程的生热速率，这样就可以为优化电池组散热系统的设计提供思路，从而可以延长锂离子电池的寿命。对锂离子动力电池进行热效应研究可以推动动力电池的发展，能够为我国电动汽车行业做出有效贡献^[1]。研究离离子动力电池的热效应通常应该做大量的具体实验来获得大量的实验数据从而获得相关结论，但是如此不断反复的实验不但消耗大量的时间、人力和物力，有时还会因为不可避免的实验误差导致获得的实验数据没有那么准确、因此依靠CFD软件建立的热模型来进行锂离子动力电池的热研究已成为现阶段的研究潮流。