锂离子电池荷电状态和内部缺陷的超声透射特性仿真研究

摘要

采用有限元法分别对锂离子电池的荷电状态(state of charge, SOC)、内部缺陷(气泡缺陷、析锂缺陷和浸润不完全缺陷)与超声透射特性之间的影响规律进行了仿真分析。首先，利用Voronoi多边形建立了锂离子电池内部的多层多孔结构；其次，在仿真过程中，通过改变正负极材料的力学参数(杨氏模量和密度)实现了锂离子电池不同荷电状态下超声透射特性的提取。仿真结果表明，随着荷电状态的增加，快纵波的声强幅值和慢纵波的声强幅值均呈现线性增加的规律，慢纵波的渡越时间呈现线性减小的规律。随后，对锂离子电池内部不同缺陷形式进行仿真分析。通过对比正常电池和缺陷电池的声透射信息可以发现：当锂离子电池底部存在气泡缺陷时，透射信号的声强幅值显著衰减，且随着气泡厚度的增加，声强幅值的衰减也在增加；此外，随着气泡位置的改变，透射信号的声强幅值也呈现规律性变化；当锂离子电池内部存在析锂缺陷时，透射信号的声强幅值和渡越时间均随着析锂厚度的增加而逐渐减小；当锂离子电池内部存在浸润不完全缺陷时，仿真模型将退化为单相多孔介质，频域中也只存在一个频率成分，且声强幅值存在衰减。研究内容解决了用有限元法对锂离子电池荷电状态、内部缺陷进行模拟处理的问题，且慢纵波波速的仿真结果与理论结果吻合良好。

关键词

锂离子电池 / Voronoi多边形 / 缺陷 / 荷电状态 / 超声透射 / 有限元仿真