基于电—热耦合模型的动力锂离子电池优化设计研究

锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长等优点已在电动汽车领域广泛应用。然而近年来锂离子电池的事故频发引起全社会的广泛关注。大型软包锂离子电池的电和热不均匀性会对电池的安全、寿命和可靠性带来风险。本研究详细考察了通过对锂离子电池结构优化设计来同时实现电池的电和热参数在空间上不均匀分布状况的减小。主要研究内容和结果如下:(1)首先基于实验测量数据拟合建立了锂离子电池的电-热耦合模型,对相关参数进行拟合。电-热耦合模型的性能通过商用锂离子电池在不同倍率下的恒流放电测试来进行验证,并进行了参数灵敏度分析。(2)在电池结构设计部分提出荷电状态(SOC)和温度这两个均匀性指标来分别表征电池的电和热均匀性。提出了针对锂离子电池结构优化设计的双目标混合整数非线性规划问题(MINLP),包含了对SOC和温度均匀性指标的同时最小化。通过使用简单的权重策略将双目标MINLP模型改写为单目标MINLP模型。采用基于代理模型的优化方法来有效的解决权重化后的单目标黑箱MINLP问题。MINLP计算结果说明通过对锂离子电池进行结构优化设计,电和热均匀性情况都得到了显著的改善。因此本研究提出的电和热特性的同时优化方法不仅能够显著提高活性材料的利用效率,还能在一定程度上有效避免电池在工作中局部热点的形成。