田 晟, 肖佳将

(华南理工大学土木与交通学院, 广州 510640)

面对日益突出的环境和能源问题,发展电动汽车是实现汽车行业可持续发展最有潜力的解决方案之一。动力电池是电动汽车的主要储能部件,锂离子动力电池由于具有能量和功率密度高、自放电率低、容量大、寿命长等优势在电动汽车上得到了广泛应用[1-2]。锂离子电池在使用过程中伴随热量的释放,引起电池温升和温差,电池温度的变化会产生内部热应力,应力过大会造成电极材料粉化失效,隔膜压缩变形进而导致内阻增大[3],影响电池的安全性和使用寿命。

现阶段有关动力电池热效应的研究主要集中在电池热模型建立和成组热管理方面[4-5],对电池热应力方面的研究相对较少。Gao等[6]研究了锂离子电池锂锡合金负极应力-应变关系,以及随荷电状态变化时应力-应变关系的演变。Duan等[7]建立了锂离子电池电化学-热-力耦合模型,发现锂离子的嵌入是产生应力的主要原因,电极的最大应力是负极的环向应力。卢世刚等[8]、金标等[9]利用数值模拟,得到方形锂离子热应力场,电池中心受压应力,侧边受拉应力且侧边中心处出现热应力集中。熊瑞等[10]研究了外部短路故障情况下圆柱形锂离子电池内部的热应力分布,发现电池两端内部活性材料与壳体的接触部位产生最大热应力。

现以18650锂离子电池为研究对象,建立电池多阶段恒流充电条件下的热-力顺序耦合模型,对不同充电环境温度下的电池温度场和热应力场进行求解分析。……