【摘 要】
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锂离子电池因为具有能量密度高、充放电压高与环保耐用等特点被广泛应用在储能系统和电力驱动系统。然而,电池在工作时因为电阻和发生电化学反应等因素产生的热量使电池温度持续上升,一旦进入热失控状态就可能引起电池自燃。此外,温升使锂离子电池发生膨胀变形。当变形过大时,电池结构容易破坏。显然,电池在充放电过程中涉及热和变形的问题。本文考虑外部环境的热辐射效应,对电池工作过程中的热-变形（力）耦合问题展开相关研
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锂离子电池因为具有能量密度高、充放电压高与环保耐用等特点被广泛应用在储能系统和电力驱动系统。然而,电池在工作时因为电阻和发生电化学反应等因素产生的热量使电池温度持续上升,一旦进入热失控状态就可能引起电池自燃。此外,温升使锂离子电池发生膨胀变形。当变形过大时,电池结构容易破坏。显然,电池在充放电过程中涉及热和变形的问题。本文考虑外部环境的热辐射效应,对电池工作过程中的热-变形（力）耦合问题展开相关研究,探究锂离子电池内部温度和应力的变化规律。所得结果有望为电池安全性能提升提供理论指导。本论文的主要研究内容及结论如下:（1）基于热传导理论,考虑电池的产热及对流散热与热辐射效应,建立了圆柱型锂离子电池的传热模型。然后探讨了热辐射系数、放电倍率、环境温度及对流换热系数对电池温度场的影响。研究结果发现:热辐射系数越大电池散热越快,达到热平衡时间越短;放电倍率越大,热辐射的散热效果越显著;环境温度越低,热辐射的散热效果越显著;对流换热系数越小,热辐射的散热效果越显著。（2）基于传热理论和弹性理论,考虑对流散热、热辐射效应、动态热源及热-力之间的相互影响,建立了圆柱型锂离子电池动态热源的热-力双向耦合模型。然后对热传导模型和热-力耦合模型的温度场进行了比较分析并探讨了辐射换热对温度场和应力场的影响。数值结果表明:热-力耦合模型计算的温度比仅考虑热传导计算的温度低;电池应力随初始温度、放电电流、对流换热系数、辐射系数和电阻增大而增大;热-力耦合模型考虑热辐射效应能够降低温度,但是也会增大环向应力和径向应力。（3）基于（2）建立的热-力耦合模型,考虑电池外侧包覆铝层,推导了圆柱型电池-铝双层结构热-力耦合数学模型;然后探讨了不同铝层厚度对温度和应力的影响并分析高温环境下不同时刻的温度场和应力场变化。研究结果发现:铝层有利于加快锂离子电池散热,降低电池内部温度并且铝层越厚电池内部温度越低,但是铝层也增大了电池内部应力。因此工程实际中,在满足散热要求的前提下应当尽可能减少铝层厚度并且有必要对电池内部应力场进行仿真分析,避免应力超过电池承受极限;在高温环境下电池的温度和应力都会增大,最大应力为交界面处的环向应力。
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