3.3 磁电能量转换系统耦合设计

为了满足实际电动车辆应用，须提出锂电池结构能量系统磁电性质的耦合设计方案。如果铁磁相材料采用具有更高磁致应变的材料，将会极大地提高磁电电压系数，但目前这方面研究内容鲜有报道。预制失配应变在磁电能量转换系统锂电池中，界面之间会存在各种缺陷，例如失配应变影响磁电性质和温度效应。虽然人们通过工艺来改善界面耦合效果，但失配应变对于结构性能的影响，仍然缺乏系统的实验和理论工作。由于磁电能量转换系统锂电池的磁电性质通过机械、物理与化学变形来传递和转换能量信号，界面间的失配应变将会很大程度上决定锂电池结构的磁电性质，对磁电电池性能的提高有重要意义。如何预制失配应变及其对磁电性质的影响，是一个难点，也是一个创新点。科学家设计了一种内外镶嵌结构，通过界面之间径向变形匹配来实现磁电性质，使磁电介质的径向收缩及纵向伸长均与压电结构产生耦合作用，从而提高磁电能量转换系统锂电池磁电转换效率，如图3-6所示。该能量系统以新型磁电储能器件为设计对象，提升了磁场/电场调控的能量系统耦合磁电强度，由于不同偏置磁场/电场将改变材料的介电常数、弹性系数、磁导率等材料参数，从而可以调控储能机械与热稳定性，并通过设计结构的微结构方式及界面耦合等来提升储能效率，从而满足实际应用的需求。

由于压电/压磁结构的电致伸缩、磁致伸缩均是基于畴变的物理机制，因此这两种锂电池结构的非线性滞后效应具有相似的物理机理。人们考虑了畴壁移动和畴变过程，从而形成完整的基于畴变的非线性本构关系，描述与预测了压磁及压电性等非线性效应对磁电性质的影响，表征锂电池结构的非线性磁电性质。针对压磁相材料将考虑磁畴的弹性能、应力能、各向异性能、静磁能及力磁耦合能等，压电锂电池结构还须考虑静电能、力电耦合能等；磁畴/电畴将按照能量与结构匹配的模型分布，如图3-7所示。该系统考虑失配应变的内外镶嵌结构设计，由于磁电能量转换系统锂电池的磁电性质是通过机械变形来传递和转换信号的，界面间的失配应变，相当于在某一方向上存在偏置的应力，将会在很大程度上影响锂电池结构的磁电性质。磁电能量转换系统锂电池结构，是通过界面之间径向的变形匹配来实现磁电性质的。然而，超磁致伸缩锂电池结构在纵向的伸长效应并没有传递给压电材料，降低了磁电转换效率。因此，该能源系统适合内外镶嵌结构，使结构的径向收缩以及纵向的伸长均与压电结构产生耦合作用，从而提高了磁电能量转换系统锂电池的磁电储能转换效率。

以压磁相结构为例，各向异性能为

式中，K₁、K₂代表磁晶各向异性常数；α_i（i=1，2，3）表示磁化强度矢量与晶轴[100]，[010]，[001]的方向余弦。

在某一温度T时，能量系统占据某一方向能态的概率符合Maxwell-Boltzmann统计：

这里得到磁电锂电池压磁相结构磁畴分布和演化关系，从而可以计算非线性的磁致伸缩效应。同样，对于压电相结构也采取相同研究手段和统计分布规律，将两种结构的本构关系结合起来，形成完整的磁电能量转换系统的非线性本构关系。现有商业软件仅能描述线性压电效应，无法模拟计算磁致伸缩、电致伸缩等物理机制，须在上述理论基础上，开发优化计算程序，以优异磁电性质为目标对材料和结构进行优化设计。利用磁电锂电池储能理论，研究磁电性质的储能特性，由于考虑非线性效应，这将极具挑战性。另外，还可通过设计磁电能量转换系统的空间变化来优化储能频率和频宽，从而满足实际应用的需求。例如，通过设计结构颗粒体积含量、分布和大小与储能效率关系（正比或反比），优化界面，获得高频率和带宽。磁电电压系数与电流磁场的幅值成单调增长的关系，当偏置场幅值、方向，电流场的频率和方向，以及测量的方向等因素固定时，即可通过磁电电压系数得到电流磁场幅值的信号，该技术有望替代现有复杂的锂电池组均衡能量管理系统。