层叠式锂离子电池展向温度分布的分析解及基于分析解的热设计优化_吴彬.pdf

中国科学: 技术科学 2014 年 第44 卷 第11 期: 1154 ~ 1172 论 文 SCIENCE CHINA PRESS 层叠式锂离子电池展向温度分布的分析解及 基于分析解的热设计优化 吴彬, 李哲, 张剑波* 清华大学汽车工程系, 汽车安全与节能国家重点实验室, 北京 100084 * E-mail: jbzhang@ 收稿日期: 2014-06-30; 接受日期: 2014-09-18 国家自然科学青年基金(编号:和科技部中日国际合作项目(批准号: 2013DFG60080)资助 摘要 大型锂离子动力电池的热相关问题是限制其在电动汽车上大规模应用的主要问题之 关键词 一. 单体电池的热模型是进行电池热设计、改善电池热特性的重要工具. 根据热模型的求解方 锂离子电池 热模拟 法, 可分为数值解和分析解两类. 在现有文献的研究中, 数值解占据了主要地位. 但是, 分析 热设计 解因具有计算量小、可实现设计变量的全局优化等优点, 在电池热设计和电池组热管理系统 分析解 中可发挥重要作用. 例如, 在电池热设计中, 分析解可全面考察多个设计参数连续变化下对 电池热特性的影响, 以进行多设计参数下的全局优化. 本文首先对一款大型层叠式锂离子电 池进行了数值热模拟和实验验证, 数值热模拟的结果与多枚热电偶的实验测量结果吻合良好; 然后, 基于数值热模拟的结果提取了层叠式电池温度分布和产热率分布的主要特点, 进而假 设温度呈展向平面分布、产热率均匀分布; 针对简化后的电池热问题, 利用双重积分变换方法 提出了分析解; 最后, 使用分析解开展了电池的热设计优化工作, 讨论了不同电芯尺寸和极 耳布置方案下的电池热特性. 1 引言 与消费电子产品上广泛使用的小型锂离子电池 相比, 大型锂离子动力电池所面临的热问题更加严 在节能与减排的压力推动下, 电动汽车成为汽 峻: 第一, 电池大型化后温度分布更容易不均匀; 第 车产业的发展趋势之一. 制约电动汽车大规模商业 二, 随着电池尺寸的增加, 内部产热量随电池特征尺 应用的主要瓶颈是大型锂离子动力电池, 而大型锂 寸的立方增加, 而表面散热量只随特征尺寸的平方 离子动力电池的热相关问题是决定其性能、寿命和安 增加, 因此易使充、放电过程中的温升增加; 第三, 全性的关键因素. 首先, 锂离子电池的温度会直接影 一旦出现热失控后的后果也将更加严重. 响其使用中的功率和能量性能. 其次, 锂离子电池使 为了改善大型锂离子动力电池的热特性, 需要 用过程中如果出现局部过热, 有可能引发冒烟、起火 在单体层次优化电池的热设计、在电池系统层次改进 等热失控事件; 另外, 锂离子电池的存放或使用温度 热管理. 电池的热模拟是研究热设计、热管理的主要 都会影响其使用寿命. 手段, 可以显著地节省热设计的时间和成本. 根据电 引用格式: 吴彬, 李哲, 张剑波. 层叠式锂离子电池展向温度分布的分析解及基于分析解的热设计优化. 中国科学: 技术科学, 2014, 44: