基于多尺度的空间锂离子蓄电池单体电-热耦合模型

宋缙华，丰震河，郭向飞，田 娟，张兴浩，王 可

（1.上海空间电源研究所，上海 200245；2.空间电源技术国家重点实验室，上海 200245）

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随着我国航天技术的不断发展，对于能源系统的需求越来越多样化。作为目前空间储能电源的主力军，锂离子蓄电池的性能提升不仅局限在能量密度上，对其功率特性也同时提出了更高的要求。比如，未来大功率合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）卫星对锂离子蓄电池提出了高能量密度和高功率密度兼顾的需求［1-2］。对于高能量密度的电池体系，正负极载量高、离子扩散速率慢、导电剂含量低、电池极化大等特点均会显著增加电池在大倍率放电时的产热不均、内部热量累积、局部过温，导致电池性能衰减严重，甚至引发安全问题。但是，这些问题在进行储能电池组或电源系统的热仿真时，往往会被忽略。因此，针对空间锂离子蓄电池单体的热安全性研究尤为重要。

传统的锂离子蓄电池单体热特性研究大多采用外部检测的方法，通过加速量热仪［3-5］、等温量热仪［6］等手段可以表征电池在特定工况下的温升和发热量，检测结果一般为电池表面的热数据，无法获取电池内部的实际温度场分布。

近年来，随着多物理场仿真软件的发展与应用，采用有限元方法建立电化学与热力学耦合模型［7-10］，不仅可以得到锂离子电池单体内部的电流分布、锂离子分布，还可以计算出电池在不同工况下的温度场分布情况。但是，建模过程往往涉及较多的微观参数和变量，而这些参数和变量通常无法通过实验获取，模型复杂程度高、计算难度大，缺少计算值与实验值的对比，模型准确性和适用性较低。……