[发明专利]一种锂离子电池相变热管理系统的优化方法

说明书

本发明涉及一种锂离子电池相变热管理系统的优化方法，步骤如下：(1)获取电池和模组的外部设计参数、电极材料的电化学参数和热物性参数、相变材料的热物性参数；(2)建立一维电化学‑三维热耦合模型；(3)对比不同放电倍率下实验和模拟分别得到的电压曲线和温度曲线结果，验证模型的正确性；(4)采用模型分析单一变量在不同放电倍率下，满足电池组热管理目标情况下的最优值；(5)以电池体积占模组总体积最大为优化目标函数，以最优单一变量组合作为优化初始值，以热管理目标作为约束，对变量值进行多参数优化求解。本发明的方法克服了单参数优化忽略不同变量组合对模组热性能影响的问题，以及人为选定变量取值带来的主观性和不全面性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池热管理领域，具体涉及一种优化基于相变材料的锂离子电池热管理系统的方法。

背景技术

随着能源危机的加重以及人们对环境保护的逐渐重视，锂离子电池作为一种新能源被广泛使用在电动汽车、储能电站上，但其在使用过程中仍然存在一定的危险性。电池充放电过程中，尤其是放电过程中产生大量的热，如果散热不及时，导致电池温度超过正常使用范围，会极大影响电池使用寿命，如果温度继续上升，可能导致电池发生热失控，进一步引发火灾爆炸事故，如果电池间温差超过指定范围，会导致模组内电池充放电不一致，严重时可能导致过充或过放，因此电池热管理系统的存在极为重要。相变材料(PCM)热管理系统相比于空冷和液冷，具有系统简单、形状适应能力强、无外加能耗、温度均一性好的特点，受到广泛关注。

采用传统实验方法进行热管理系统的优化设计需要耗费大量人力物力财力。采用计算机数值模拟方法不仅成本低，而且周期短，能极大提高设计效率，因而成为指导热管理系统设计的常用手段。现有技术以相变材料质量最小为优化目标，使用CFD分别求解不同电池组结构下的最优配置，但其实质上是通过控制变量法对单个参数进行优化，没有考虑到不同变量组合对模组热性能的综合影响。现有技术中还有其他方法的数值模型只考虑了传热问题，没有考虑到电池温度对电池内部电化学反应的影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种锂离子电池相变热管理系统的优化方法，通过建立一维电化学-三维热耦合模型，首先得到单参数优化结果，之后将单参数优化结果作为初始值，将电池体积占模组总体积最大作为优化目标函数，热管理目标作为约束，使用COBYLA算法进行优化求解，从而得到锂离子电池相变热管理系统最优设计方案。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种锂离子电池相变热管理系统的优化方法，包括以下步骤：

步骤一，获取电池和模组外部设计参数、电极材料的电化学参数和热物性参数、相变材料的热物性参数，所述模组即多个单体电池经串并联方式组合并加装电池管理系统后形成的结构；

步骤二，建立一维电化学-三维热耦合模型；

步骤三，对比不同放电倍率下实验和模拟分别得到的电压曲线和温度曲线结果，验证所述一维电化学-三维热耦合模型的正确性；

步骤四，采用所述一维电化学-三维热耦合模型分别研究不同单一变量在不同放电倍率下，满足电池热管理目标情况下的最优值；得到各最优单一变量值组合；

步骤五，以电池体积占模组总体积最大为优化目标函数，以最优单一变量值组合作为优化初始值，以热管理目标作为约束，使用线性近似约束优化算法COBYLA对变量进行多参数优化求解。

进一步的，所述步骤二，建立一维电化学-三维热耦合模型具体包括：

首先分别建立一维电化学模型、三维热模型，然后通过一维电化学模型计算出电池电化学反应过程中的平均产热，传递给三维热模型并计算出温度分布，将平均温度返给一维电化学模型，从而将两个模型耦合起来，形成一维电化学-三维热耦合模型。

进一步的，所述步骤三，对比不同放电倍率下实验和模拟分别得到的电压曲线和温度曲线结果，验证模型的正确性，具体包括：