摘 要

随着全球能源短缺和环境恶化，电动汽车的发展前景一片大好。本文主要针对锂电池的内部温度变化和性能参数展开研究，探讨不同温度下锂电池内部温度和性能参数的变化规律，并对欧姆内阻和极化内阻随温度的升高而减小的变化规律作出了内部原因分析。

首先，在COMSOL软件中建立二维柱状锂电池热模型，获得仿真的电压值，根据工作循环步骤在仿真值中选取开路电压并计算得到欧姆内阻，同时在COMSOL中得到了电池的温度场分布和不同温度下的锂电池温度变化值随时间的变化规律。

选取二阶等效电路模型，建立RC验证模型验证其精度后，辨识出了极化内阻；然后计算获得了温熵系数，通过计算作图获得各个参数的变化规律：其中开路电压受温度的影响较小，随温度的升高而稍有增大；电池内阻受温度的影响较大，欧姆内阻和极化内阻均随温度的升高而减小；温熵系数随温度的变化规律也不大，主要随温度的变化而呈现出小幅度的波动。

最后得出了在0℃到40℃的温度范围内，锂电池的温度越高，工作性能越好。

关键词：锂电池；电池热模型；性能参数；原因分析。

Abstract

With global energy shortages and environmental degradation, the prospects for electric vehicles are promising. In this paper, the internal temperature change and performance parameters of lithium battery are studied, and the variation rules of internal temperature and performance parameters of lithium battery at different temperatures are discussed, and the internal reasons for the variation rules of ohm resistance and polarization resistance decreasing with the rise of temperature are analyzed.

Firstly, a two-dimensional cylindrical thermal model of lithium battery was established in COMSOL software to obtain the simulated voltage value. According to the working cycle steps, the open-circuit voltage was selected from the simulation value and the ohmic internal resistance was calculated. At the same time, the distribution of battery temperature field and the variation rule of lithium battery temperature with time under different temperatures were obtained in COMSOL.

After selecting the second-order equivalent circuit model and establishing the RC verification model to verify its accuracy, the polarization internal resistance is identified and the temperature entropy coefficient is calculated. Through calculation and drawing, the variation rules of various parameters are obtained. The internal resistance of the battery is greatly affected by temperature. The ohm resistance and polarization resistance decrease with the increase of temperature. The change law of temperature entropy coefficient with temperature is not big, and it shows a small fluctuation with the change of temperature.

Finally, in the temperature range of 0℃to 40℃, the higher the temperature of lithium battery, the better the performance.

Keywords: Lithium batteries; Battery thermal model; Performance parameters; Cause analysis.

目录

第1章 绪论 1

1.1 锂电池的历史背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 锂电池的背景 2

1.2.2 锂电池内阻的研究历史 3

1.2.3 锂电池电解质的研究背景 4

1.2.4 锂电池正负极材料的研究背景 4

1.3 研究内容和研究方法 5

1.3.1 锂电池研究内容 5

1.3.2 研究方法 5

第2章 锂电池的工作特性 7

2.1 锂电池综述 7

2.1.1 工作原理 7

2.1.2 动力电池的性能比较 9

2.2 锂电池的参数概述 9

2.3 单次HPPC的变化过程 10

第3章 锂电池模型的选取与验证 12

3.1 电池模型的概述 12

3.2 电路模型的选择 12

3.3 电池模型的仿真 13

3.3.1 仿真模型的构建 13

3.3.2 模型的验证 13

3.4 极化内阻的辨识 15

第4章 不同温度下锂电池内部温度变化规律 16

4.1 锂电池热模型的构建 16

4.1.1 综述 16

4.2热模型的构建过程 16

4.3 单次HPPC的理想电压仿真值 18

4.4 锂电池在恒温箱中的温度场分布 19

4.4.1 不同温度下的温度变化值 20

4.4.2 充电搁置下的内部温度变化 21

4.4.3 空气对流换下的内部温度变化 21

4.4.4 空气对流换热和恒温箱的温度变化对比 22

第5章 不同温度下锂电池参数变化规律的分析 24

5.1 开路电压 24

5.1.1 开路电压的获取方法 24

5.1.2 开路电压变化规律的分析 24

5.1.3 内部原因分析 24

5.2 欧姆内阻 26

5.2.1 欧姆内阻的计算方法 26

5.2.2 欧姆内阻变化规律的分析 26

5.2.3 内部原因分析 26

5.3 极化内阻 28

5.3.1 极化内阻变化规律的分析 28

5.3.2 内部原因分析 29

5.4 温熵系数 29

5.4.1 温熵系数的获取 29

5.4.2 温熵系数的变化规律分析 30

5.4.3 内部原因分析 30

第6章 结论 32

6.1 研究总结 32

6.2 研究展望 33

致谢 34

参考文献 35

第1章 绪论

1.1 锂电池的历史背景

随着时代的变迁，人类已经进入了发展新纪元，发展的观念也得到了极大的转变，受制于不利的环境和严重不足的能源，人类正面对一个前所未有的挑战：环境污染和能源危机。当今社会，虽然人们的日常生活水准进一步提高，但所处的环境却急转直下，长时间出现的雾霾气象，光化学烟雾等等，使得人们不得不重新审视现在的发展，并本着未雨绸缪的原则，思考未来的发展方向；在环境污染方面让世人最警醒的一个例子便是洛杉矶烟雾事件，从40年代初开始，人们就发现这座城市一改以往的温柔，变得“疯狂”起来。每年从夏季至早秋，只要是晴朗的日子，城市上空就会出现一种弥漫天空的浅蓝色烟雾，使整座城市上空变得浑浊不清。这种烟雾使人眼睛发红，咽喉疼痛，呼吸憋闷、头昏、头痛。1943年以后，烟雾更加肆虐，以致远离城市100千米以外的海拔2000米高山上的大片松林也因此枯死，柑橘减产。仅1950－1951年，美国因大气污染造成的损失就达15亿美元。1955年，因呼吸系统衰竭死亡的65岁以上的老人达400多人；1970年，约有75%以上的市民患上了红眼病。这就是最早出现的新型大气污染事件—光化学烟雾污染事件^[1]。使得人们不得不重新审视现在的发展，并本着未雨绸缪的原则，思考未来的发展方向；同时，经过科学家的推算，世界的石油储能也仅够人类使用几十年，因此要寻找可以替代燃油的新型汽车。

对于我国而言，虽然我国的石油储量和石油生产量很大，但我国人口众多，对石油的需求量巨大，从过去几年来看，我国的石油需求量、消耗量远远大于我国石油的生产量，导致我国的石油进口量和石油对外依赖程度很大，更令人担忧的是，我国的石油进口量和对外依赖程度呈逐年递增的趋势；传统汽车对环境的污染主要体现在尾气排放方面，汽车尾气中的CO、NO_x、CO₂、SO_x、HC、PM_2.5和臭气等会对环境造成严重污染，形成酸雨、雾霾天气、光化学烟雾，其中的CO₂也是造成温室效应的主要气体。汽车尾气是造成环境污染和温室气体排放的主要因素之一，是城市雾霆天气的 PM2．5 的重要源头。特别是在中国签署《巴黎协定》后降低污染物排放“压力山大”，汽车尾气的控制必更加严格，而纯电动汽车有着无污染的特点，发展纯电动汽车为大势所趋^[2]。新能源汽车凭借其环境污染小，节能环保的优势特点，既可以解决能源短缺问题又可以缓解环境污染问题，得到了世界范围内各个国家的推广和应用，而在新能源汽车中，锂电池电动车是发展前景比较好的一个方向，也是目前世界范围内成交量最多的新能源汽车类型。