【摘 要】
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锂离子电池作为新能源汽车的重要驱动力来源,近年来受到了汽车行业的广泛关注。然而锂离子电池的充电性能受环境温度影响较大,低温条件下充电极化电压升高,充电容量下降的问题一直限制了锂离子电池的发展。本文以锂离子电池的电化学反应原理、产热传热原理和电热耦合特性为出发点,研究了锂离子电池低温条件下的充电极化特性,对锂离子电池的开发具有重要意义。本文以电化学反应动力学、质量守恒、电荷守恒和能量守恒为理论基础,
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锂离子电池作为新能源汽车的重要驱动力来源,近年来受到了汽车行业的广泛关注。然而锂离子电池的充电性能受环境温度影响较大,低温条件下充电极化电压升高,充电容量下降的问题一直限制了锂离子电池的发展。本文以锂离子电池的电化学反应原理、产热传热原理和电热耦合特性为出发点,研究了锂离子电池低温条件下的充电极化特性,对锂离子电池的开发具有重要意义。本文以电化学反应动力学、质量守恒、电荷守恒和能量守恒为理论基础,借助COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件,建立了基于LiFePO4/石墨锂离子电池的电化学-热耦合瞬态计算模型。由于充电过程中锂离子电池的电化学行为和产热传热行为互相影响,该模型以产热速率和电池体系温度为中间变量,充分考虑到了充电过程中的电化学-热耦合效应,并通过充电过程中端电压试验值和模拟值对比的方式,验证了在-5℃、-10℃、-15℃三个低温条件下模型的准确性,同时研究了上述三个低温条件下,锂离子电池1C恒流充电过程中的极化特性以及影响极化的内部电化学因素。结果表明与正极极化电压相比,负极极化电压的绝对值水平较低,正极极化是整个锂离子电池体系极化的主要部分;同时正极极化电压对锂离子电池的整体SOC具有一定的依赖性,温度的降低不会改变正极极化电压的整体分布趋势,只是温度越低充电截止时电池整体的SOC越小,对应的正极极化电压峰值也越小。充电过程中正极液相扩散极化可分为初始期、平台期和上升期三阶段,随着环境温度的不断降低,平台期和上升期的极化电压水平不断升高但是同时对应的SOC区间不断缩短;而正极液相欧姆极化分为稳定期和上升期两个阶段,环境温度不会影响稳定期的极化电压水平但是环境温度越低稳定期的SOC区间会越短,同时上升期极化电压的上升速度会不断增大。正极的电解质盐浓度的时空累积和电解质电流密度的瞬时分布情况很好的解释了上述两种极化变化的深层原因。
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