3.3 磁電能量轉換系統耦合設計

為了滿足實際電動車輛應用，須提出鋰電池結構能量系統磁電性質的耦合設計方案。如果鐵磁相材料采用具有更高磁致應變的材料，將會極大地提高磁電電壓系數，但目前這方面研究內容鮮有報道。預制失配應變在磁電能量轉換系統鋰電池中，界面之間會存在各種缺陷，例如失配應變影響磁電性質和溫度效應。雖然人們通過工藝來改善界面耦合效果，但失配應變對于結構性能的影響，仍然缺乏系統的實驗和理論工作。由于磁電能量轉換系統鋰電池的磁電性質通過機械、物理與化學變形來傳遞和轉換能量信號，界面間的失配應變將會很大程度上決定鋰電池結構的磁電性質，對磁電電池性能的提高有重要意義。如何預制失配應變及其對磁電性質的影響，是一個難點，也是一個創新點?？茖W家設計了一種內外鑲嵌結構，通過界面之間徑向變形匹配來實現磁電性質，使磁電介質的徑向收縮及縱向伸長均與壓電結構產生耦合作用，從而提高磁電能量轉換系統鋰電池磁電轉換效率，如圖3-6所示。該能量系統以新型磁電儲能器件為設計對象，提升了磁場/電場調控的能量系統耦合磁電強度，由于不同偏置磁場/電場將改變材料的介電常數、彈性系數、磁導率等材料參數，從而可以調控儲能機械與熱穩定性，并通過設計結構的微結構方式及界面耦合等來提升儲能效率，從而滿足實際應用的需求。

圖3-6 內外鑲嵌結構設計磁電鋰電池

a）電極壓電微系統設計 b）耦合能量系統 c）能量系統優化 d）能量系統磁電多場耦合

由于壓電/壓磁結構的電致伸縮、磁致伸縮均是基于疇變的物理機制，因此這兩種鋰電池結構的非線性滯后效應具有相似的物理機理。人們考慮了疇壁移動和疇變過程，從而形成完整的基于疇變的非線性本構關系，描述與預測了壓磁及壓電性等非線性效應對磁電性質的影響，表征鋰電池結構的非線性磁電性質。針對壓磁相材料將考慮磁疇的彈性能、應力能、各向異性能、靜磁能及力磁耦合能等，壓電鋰電池結構還須考慮靜電能、力電耦合能等；磁疇/電疇將按照能量與結構匹配的模型分布，如圖3-7所示。該系統考慮失配應變的內外鑲嵌結構設計，由于磁電能量轉換系統鋰電池的磁電性質是通過機械變形來傳遞和轉換信號的，界面間的失配應變，相當于在某一方向上存在偏置的應力，將會在很大程度上影響鋰電池結構的磁電性質。磁電能量轉換系統鋰電池結構，是通過界面之間徑向的變形匹配來實現磁電性質的。然而，超磁致伸縮鋰電池結構在縱向的伸長效應并沒有傳遞給壓電材料，降低了磁電轉換效率。因此，該能源系統適合內外鑲嵌結構，使結構的徑向收縮以及縱向的伸長均與壓電結構產生耦合作用，從而提高了磁電能量轉換系統鋰電池的磁電儲能轉換效率。

圖3-7 磁疇/電疇能量系統總體設計

a）電極系統設計 b）電池能量系統總體設計 c）掃描電鏡電極形貌表征 d）正負極磁疇掃描電鏡形貌表征

以壓磁相結構為例，各向異性能為

式中，K₁、K₂代表磁晶各向異性常數；α_i（i=1，2，3）表示磁化強度矢量與晶軸[100]，[010]，[001]的方向余弦。

在某一溫度T時，能量系統占據某一方向能態的概率符合Maxwell-Boltzmann統計：

這里得到磁電鋰電池壓磁相結構磁疇分布和演化關系，從而可以計算非線性的磁致伸縮效應。同樣，對于壓電相結構也采取相同研究手段和統計分布規律，將兩種結構的本構關系結合起來，形成完整的磁電能量轉換系統的非線性本構關系?，F有商業軟件僅能描述線性壓電效應，無法模擬計算磁致伸縮、電致伸縮等物理機制，須在上述理論基礎上，開發優化計算程序，以優異磁電性質為目標對材料和結構進行優化設計。利用磁電鋰電池儲能理論，研究磁電性質的儲能特性，由于考慮非線性效應，這將極具挑戰性。另外，還可通過設計磁電能量轉換系統的空間變化來優化儲能頻率和頻寬，從而滿足實際應用的需求。例如，通過設計結構顆粒體積含量、分布和大小與儲能效率關系（正比或反比），優化界面，獲得高頻率和帶寬。磁電電壓系數與電流磁場的幅值成單調增長的關系，當偏置場幅值、方向，電流場的頻率和方向，以及測量的方向等因素固定時，即可通過磁電電壓系數得到電流磁場幅值的信號，該技術有望替代現有復雜的鋰電池組均衡能量管理系統。