小功率LiFePO4锂离子电池简化电化学热耦合模型研究

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1、小功率LiFePO4锂离子电池简化电化学-热耦合模型研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：李冠宇指导教师：雷惊雷教授专业：化学工程与技术学科门类：工学重庆大学化学化工学院二O一四年五月Studyofthesimplifiedelectrochemical-thermalcoupledmodelforthelowpowerLiFePO4lithiumionbatteriesAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMast

2、er’sDegreeofEngineeringByLiGuanyuSupervisedbyProf.LeijingleiSpecialty：ChemicalEngineeringandTechnologyCollegeofChemistry&ChemicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay2014中文摘要摘要随着能源短缺日益成为社会、经济发展制约因素，锂离子电池的应用日趋广泛。因此，如何快速、准确地判断电池的使用状况，评估、检测安全性，成为锂离子电池实用化的重要研究课题。为

3、此，本文以严格电化学模型为基础，采取合理简化策略，构建了小功率磷酸亚铁锂锂离子电池电化学-热耦合模型，并依托MATLAB平台进行数值模拟。本文首先推导了电化学极化主导的多孔电极体系在强极化和线性极化情况下离子电流密度分布方程，进一步推导了弱极化情况下电化学反应过电势分布方程。对离子电流密度分布方程进行了解析求解，对过电势分布方程进行了数值求解。结果表明，在一定的电极结构参数及倍率范围内，离子电流密度呈线性分布。在此基础上，结合小功率电池使用特点，确定了转化椭圆型偏微分方程为代数方程、非线性方程数值解为解析解、减少固相浓度计算维度的严格电化学模

4、型简化策略。同时，考虑到电池热效应对电化学性能的影响以及单体电池组装为电池堆的潜在用途，引入能量平衡方程构成电化学-热耦合模型。针对上述模型，以有限差分、四阶R-K等算法为基础，编写了基于MATLAB平台的求解程序。经测试，算法误差随放电时间延长不断下降，50s后即小于1%。进一步，通过实验和文献获取了求解所需参数及经验函数，模拟了不同温度、不同倍率条件下14450柱型电池的放电曲线和升温曲线，并建立了放电容量、电压平台斜率、电压误差、最高温度误差等一系列定量指标，对模拟结果与实验结果的符合程度进行分析。结果表明，在模拟条件范围内，模拟放电曲

5、线、放电容量以及升温曲线均与实验数据在变化规律和数值两方面具有较好的匹配度。同时，程序还模拟了浓度、电化学反应常数、固相扩散系数等较难通过原位实验测试的物理量的变化。此外，程序在内存1G、主频2.00GHz笔记本电脑上计算时间在3-60s之间，具有较好计算效率。综上所示，本文所建立的电化学-热耦合模型，可以对小功率磷酸亚铁锂电池的电热性能进行较为准确、快速的模拟。因此，本文工作的进行，可以丰富锂离子电池电化学模型的研究，也可以为锂离子电池简化模型的发展提供有益借鉴。关键词：磷酸亚铁锂，小功率电池，多孔电极，简化模型I重庆大学硕士学位论文II英

6、文摘要ABSTRACTLi-ionbatteriesareincreasinglywidespreadwiththeenergyproblembecomingtheconstraintsofsustainabledevelopmentforsocialandeconomy.Therefore,itisvitaltopredictandevaluatetheperformanceandsafetyofLi-ionbatteriesaccuratelyandquickly.Thus,thispaperproposedanelectrochemic

7、al-heatcoupledmodelforthelowpowerLi-ionbatteriesbasedontherigorouselectrochemicalmodelandreasonablesimplificationstrategies.Then,numericalsimulationswereconductedfordifferentconditionsonMATLABenvironment.Firstofall,theequationsofioncurrentdensityorelectrochemicaloverpotenti

8、aldistributioninporouselectrodeunderelectrochemicalpolarizationcontrolsystemwerede