锂离子动力电池热设计方法研究

锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长等优点已成为车用动力电池的主流选择。然而,车用锂离子动力电池在使用过程中面临温度分布不均匀、局部温度过高等热问题,严重影响其性能、寿命和安全。为了应对动力电池的热问题,有必要对单体电池进行热设计优化,以改善电池热特性,降低热管理系统的复杂性。本文聚焦锂离子电池单体(而非电池模块或电池组)在正常状态(区别于热失控状态)下的热问题,从热参数估算、热模拟、热设计三个方面开展了系统性的研究。其中,热参数的估算结果是电池热模拟的重要输入,而电池热模拟是开展热设计的必要手段。针对层叠式锂离子电池的结构特点,本文提出了基于时域和基于频域的两种热参数估算方法。在时域方法中,通过测量电池被外热源加热后的时域温度响应,建立反映实验过程的传热模型,调整传热模型中的参数以使模拟结果与实验结果的差异最小,实现了比热容、导热系数等多个热参数的原位、同步估算。实验结果表明,层叠式电池的导热系数具有明显的各向异性。在频域方法中,通过测量电池在不同频率的正弦加热下的相位分布,利用本文推导的二维热阻抗谱模型,可以估算电池各向异性的导热系数。利用热参数的估算结果,本文建立了层叠式锂离子电池的多维热电耦合模型,电池表面多点的温度测量结果验证了模型的准确性。运用经过验证的热电耦合模型,分析了影响层叠式电池温度分布的原因,发现极耳与电芯间的热量交换对电池的温度分布起主导作用。基于此,本文对热电耦合模型进行了合理简化,推导了电池展向温度分布的分析解,结果与数值解吻合程度良好。本文还对圆柱卷绕式电池进行了热电耦合模拟,研究了卷绕式电池的温度分布特征,比较了不同构型的电池热特性。利用展向温度分布的分析解和热电耦合模型的数值解,本文对层叠式电池的热设计进行了优化。首先,基于展向温度分布的分析解,优化了同侧和异侧两种极耳布置方案下的电芯长宽比和极耳位置。其次,基于多维热电耦合模型的数值解,建立了针对层叠式电池的热设计方法,优化了电池的结构尺寸,比较了不同容量电池的热特性,从热特性的角度提出了电池容量上限确定方法。本文所提出的热设计方法对卷绕式等其他构型,或储能等其他用途的电池也有借鉴意义。