高频脉冲放电条件下磷酸铁锂电池热累积特性的电化学-热耦合模型研究

针对电磁发射系统中锂电池在极端脉冲放电条件下的热安全问题，海军工程大学团队通过构建脉冲放电实验平台和电化学-热耦合模型（COMSOL Multiphysics 5.6），系统量化了20C-60C放电倍率下的温度响应规律。研究发现40C放电倍率在温升与电压稳定性间表现最优，揭示了环境温度与单体间距对热累积效应的非线性影响，为高功率脉冲储能系统的热管理设计提供了关键理论支撑。

　　

电磁发射技术作为革命性的动能发射手段，正在军事和航天领域引发颠覆性变革。然而，其混合储能系统面临的核心挑战在于：锂电池在重复高频强脉冲电流（如60C放电倍率）下会产生剧烈温升，可能引发热失控（thermal runaway）。现有研究多聚焦常规工况，对极端脉冲放电下的瞬态热累积机制缺乏系统认知，而商用锂电池在强电磁环境中的动态特性数据获取更是世界性难题。

海军工程大学能源动力团队率先构建了脉冲放电实验平台，通过20C-60C多倍率放电实验捕获了锂电池的"锯齿状"温升曲线。基于此，研究创新性地建立了二阶RC电路模型（模拟电压响应）和电化学-热耦合多尺度模型（涵盖4P5S电池组），采用自适应步长算法精准捕捉单次脉冲引发的微秒级温度波动。仿真与实验误差控制在5%以内，首次量化了40C放电倍率的性能平衡点——该工况下温升速率（0.8°C/s）较60C降低37%，同时电压降幅较20C改善23%。低温环境（-20°C）会加速初期温升速率达154%，而5mm单体间距虽提升散热效率，却导致电池组边缘温差扩大至8.2°C。

关键技术方法包括：1）搭建脉冲放电平台实现20C-60C多倍率循环测试；2）基于二阶RC模型进行动态参数识别；3）COMSOL Multiphysics 5.6构建包含欧姆热、极化热、反应热的多物理场耦合模型；4）4P5S电池组拓扑结构下的热累积效应仿真。

主要研究结果：
电池在电磁发射中的工作模式
混合储能系统需在4.99秒内完成100MJ能量转移，引发锂电池承受4秒脉冲/1秒间歇的极端工况。实验显示单次60C放电即可使电池表面温度骤升12°C。

实验电路等效模型
二阶RC模型成功量化了瞬态极化效应，其中浓度极化电阻R_d
在60C放电时较静态值增长320%，揭示了大电流下离子传输受阻是温升主因。

不同脉冲放电倍率下的温升特性
40C放电时电池内部最大温差为4.5°C，显著低于60C工况的7.8°C。模拟发现重复脉冲会导致热量累积，第12次循环时60C放电的峰值温度较首次升高19%。

研究结论表明：该模型突破了传统方法对瞬态过程表征的局限，首次阐明脉冲间隔期的热量再分布规律。通过证明40C放电倍率的优化平衡性，为电磁发射储能系统提供了关键设计参数。更值得注意的是，发现低温环境下SEI膜（固体电解质界面膜）破裂加速是初期温升剧增的主因，这一发现为极端环境电池管理策略开发指明了新方向。

论文的创新价值在于：1）建立目前唯一能模拟4秒级脉冲放电的瞬态热模型；2）揭示脉冲间隔期"热弛豫"效应对电池老化的潜在影响；3）提出基于分数阶模型（fractional-order model）的SOP（功率状态）估计方法，将强电磁干扰下的参数识别误差控制在1.34%。这些成果被同行评价为"为兆焦级脉冲储能系统奠定了首个可工程化的热设计基准"，相关模型已应用于某型电磁导轨炮的储能单元优化设计。