动力电池热管理模型：电化学和热流场分析

电化学—热耦合模型从电化学反应生热的角度描述电池热模型，主要用于计算电池在正常工作状态下的温度情况。该模型一般假设电池内电流密度的分布是均匀的，这种假设在小模型的时候可以保证仿真的真实性和准确性，较大模型时会出现一定的误差和不准确性。电池的生热散热过程的能量守恒方程如式（3-1）所示。

式中，等式左侧表示电池单元热力学能的增量；右侧第一项表示通过界面的导热而使电池单元在单位时间内增加的能量；为电池的生热速率；ρ_κ为电池单元的密度；C_P，K为电池单元的比热；λ_k为电池在该方向上的导热系数。电池生热速率有很多种计算方式。最广泛使用的是美国加州大学伯克利分校的D.Bernardi在1985年提出的生热速率模型。D.Bernardi生热速率如式（3-2）所示：

式中，I为电流；V为电池体积；E_OC为电池平衡电动势；U为电池工作电压；T为电池温度。(www.xing528.com)

图3.1所示为锂离子电池电化学—热耦合模型的总体框架。图3.1中，锂离子电池单体生热由正、负电极电化学热和正负集流板（含极耳）、电解液的欧姆热构成。其中，锂离子电池单体正、负电极的电化学热与电解液生热可由一维电化学模型计算得到，正、负集流板的欧姆热和电池的温度场分布可由基于相似性原理建立的三维热模型计算得到。另外，计算正、负电极的电化学热时需要利用正、负电极的平均温度。

图3.1 电化学—热耦合模型的思路与耦合关系