摘 要

随着环境问题日益严重，石油资源的匮乏，对于新能源的开发利用一直是世界各国研究的重点。对于汽车工业而言，新能源汽车正是在这种背景下促成的产业。在目前的新能源汽车中，搭载锂离子电池作为动力源的电动汽车是主要的研究方向。而使用锂离子电池作为电动汽车的车载动力源，则必须对锂离子电池各种工况下的性能变化进行深入的研究了解。为达到这个目的，研究人员需要研究锂离子电池整个充放电过程的电化学反应和热行为，以此规避使用锂离子电池作储能装置的电动汽车可能出现的安全问题。

本文将运用数字仿真技术研究的方法和仅通过实验进行研究的方法结合起来，对18650圆柱形镍钴锰酸锂三元材料电池进行了研究。实验采用HPPC放电实验，对电池放电过程中的温度、电压、容量进行了测试并记录，得到了不同实验温度、不同放电倍率下，电池温度、电压、容量的变化情况，并对结果进行了分析。

在COMSOL Multiphysics软件上建立了18650镍钴锰酸锂三元材料电池电化学-热耦合模型，并结合实验结果对模型进行验证，而后基于此模型进行了研究。本文全面介绍了锂离子电池充放电过程中的电化学反应以及扩散迁移行为，阐明了锂离子电池放电过程中的电化学行为与热行为的关系，讨论分析了电池恒流充放电过程中各参数的变化情况以及温度场的分布情况。本文所完成的研究，能够帮助设计锂离子电池以及设计热管理系统，能够促进锂离子电池的相关研究继续发展。

关键词：三元锂离子电池；电化学模型；热模型；耦合模型

Abstract

With the increasing environmental problems, the lack of oil resources, the development and utilization of new energy has been the focus of research in the world.For the automotive industry, the new energy vehicles is in this context contributed to the industry.In the current new energy vehicles, equipped with lithium-ion battery as a power source of electric vehicles is the main research direction.The use of lithium-ion battery as an electric vehicle vehicle power source, you must lithium-ion battery under various conditions of performance changes in-depth study to understand.To this end, the researchers need to study the lithium-ion battery charge and discharge process of the electrochemical reaction and thermal behavior, in order to avoid the use of lithium-ion battery as an energy storage device may occur security problems.

In this paper, the method of digital simulation technology and the method of research only through experiments are combined to study the 18650 cylindrical nickel-cobalt-manganese ternary material battery.The temperature, voltage and capacity of the battery during the discharge process were tested and recorded. The changes of the battery capacity, voltage and temperature under different experimental temperature and discharge rate were obtained, and the results were analyzed.

The electrochemical - thermal coupling model of 18650 nickel - cobalt - manganese oxide ternary material was established on the COMSOL Multiphysics software. The model was validated by the experimental results, and then the model was studied.This paper introduces the electrochemical reaction and diffusion migration behavior of lithium ion battery during charge and discharge,elucidates the relationship between electrochemical behavior and thermal behavior during the discharge of lithium ion batteries elucidated，analyses and discusses the changes of the parameters and the distribution of the temperature field during the constant current charging and discharging process.The research done in this paper can help to design lithium-ion batteries and design thermal management system, can promote the lithium-ion battery related research continues to develop.

Key Words:Three-element lithium-ion battery; electrochemical model; thermal model; coupled model

目录

第1章 绪论 1

1.1 锂离子电池概述 1

1.1.1 锂离子电池结构简介 1

1.1.2 锂离子电池的工作原理 3

1.2 在锂离子电池性能研究中运用数字仿真技术的意义 4

1.3 锂离子电池中的电化学效应和热效应 5

1.4 锂离子电池热模型研究现状 6

1.5 论文研究的目的和意义 7

第2章 实验验证方法 9

2.1 研究对象 9

2.2 实验方法 10

2.2.1 HPPC实验介绍 10

2.2.2 HPPC实验中的补充说明 10

2.3 电池放电过程中的温度、电压、容量测试 11

2.4 实验结果分析 12

2.4.1 锂离子电池温度变化情况 12

2.4.2 锂离子电池电压变化情况 14

2.4.3 锂离子电池容量变化情况 16

第3章 数值模拟方法 18

3.1 COMSOL Multiphysics软件平台简介 18

3.2 锂离子电池电化学-热耦合模型地建立 18

3.2.1 电化学模型 18

3.2.2 热模型 22

3.2.3 电化学-热耦合模型 23

3.3 模型参数的确定 24

第4章 基于电化学-热耦合模型的电化学行为研究 26

4.1 对模型准确性进行验证 26

4.2 电池温度分布的均匀性对锂离子电池性能的影响 28

4.3 电池电化学反应速率对电池性能的影响 31

4.4 电池传质的不均匀性对电池性能的影响 35

4.4.1 颗粒半径的大小对电化学过程的影响 35

4.4.2 电极厚度对电化学过程的影响 35

4.4 本章总结 36

第五章 基于电化学-热耦合模型的放电过程热效应研究 37

5.1 电池产热的研究 37

5.2 电池温度场分布的研究 37

5.3 本章小结 40

第6章 结论与展望 41

6.1 论文主要结论 41

6.2 未来的展望与建议 41

参考文献 43

致 谢 45

第1章 绪论

1.1 锂离子电池概述

汽车工业是促进世界经济科技发展迅速的重要组成部分，但是它也展现了它对于能源与环境的重大问题。石油资源的匮乏，环境问题日益严重也制约了汽车工业的进一步发展。在此情景背景之下，电动汽车产业成为如今发展汽车产业的重中之重。电动汽车使用电能作为汽车的主要能源，而电能具有来源广，清洁污染小等等优点，因此被广泛视为传统汽车工业的替代品。而电动汽车的重点自然就是电池技术了。目前来说，锂离子电池由于与其他动力电源相比，具有电压高、比能量高、无污染、充放电寿命长、充电速度快、安全可靠、工作稳定等等优点，因此在电动汽车理想动力电源的选择中，锂离子电池始终占有一席之地。

早在1990年，日本索尼公司向全球市场推广了锂离子电池，它是高能蓄电池系列中最新的产品。随着更多研究成果的获取，锂离子电池的成本不断降低，与此同时锂离子电池的性能在不断地提高，因此全球已经有许多汽车工厂开始研究使用锂离子电池。目前，我国也已经把锂离子电池作为未来电动汽车动力电池的重要发展目标。

1.1.1 锂离子电池结构简介

锂离子电池的外形有两种不同类型，主要分为方形和圆柱形。