层叠式锂离子电池三维热模型研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

在节能与减排的压力推动下，汽车工业发展的关键挑战是提高汽车的燃油经济性和减少污染排放，然而内燃机已经达到技术的瓶颈，电动汽车的出现为实现节能减排甚至零排放提供了可能性。电动汽车是未来最具发展潜力的清洁交通工具，动力电池是电动汽车的核心部件，相当于传统燃油汽车的“油箱”，它的性能好坏直接决定了新能源汽车的发展。动力电池有很多种类型，包括镍氢电池、铅酸电池和锂离子电池等。在各种类型的电池中，锂离子电池因其具有高的比能量、长的循环寿命、低的自放电率等优点，成为新能源汽车的首选动力来源。然而，锂离子电池大量应用于新能源汽车的过程中，也引发了很多安全性问题。电池的安全性问题成为制约电动汽车发展的瓶颈，引起了科学界和商业界的广泛关注。究其原因，主要是因为锂离子电池在工作过程中会产生大量的热，若不及时对其进行散热，会严重影响电池性能的发挥，甚至会影响电动汽车的安全性，如失火、爆炸等危险。

在锂离子动力电池的使用及存储过程中，温度对电池的性能、寿命、安全性都有重要影响。首先，锂离子电池的温度影响其能量与功率性能。温度较低时，电池的内阻明显增大，电池的可用能量和功率大大降低。其次，锂离子电池的工作或存放温度影响其使用寿命。过高的温度会加速电池内部副反应，进而加速电池容量衰减。在过低温度下对电池进行充电，则可能引发内部析锂，加速电池老化。电池的适宜工作温度约在 10~30℃ 之间，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。最后，锂离子电池的温度与电池的安全性紧密相关。在高温下，生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热，并进而引起连锁放热反应，最终造成电池热失控，威胁到电动汽车驾乘人员的生命安全。在低温下，电池过充造成的析锂可能引发内短路，埋下安全隐患。

与消费电子产品用锂离子电池相比，车用动力锂离子电池面临更加严峻的热问题，可从电池组、电池模块和单体电池三个层次进行分析。在电池组层次，车用动力电池组所处的环境温度范围宽广，且电池组周围的温度分布往往是不均匀的（如夏季地面温度高）。在电池模块层次，并联使用的单体电池会产生热电耦合现象，温度高的电池内阻小，单体间电流分布不均匀，可能造成电池模块整体的老化加速。在电池单体层次，动力电池的单体容量一般较大，而大型化后温度分布更容易不均匀；而且，随着电池尺寸的增加，内部产热量随电池特征尺寸的立方增加，而表面散热量只随特征尺寸的平方增加，因此使用过程中的温升增加；由于单体容量大，一旦出现热失控后的后果也将更加严重。

2. 研究的基本内容与方案

动力电池是电动汽车的核心部件，而锂离子电池因其优异的综合性能备受关注，并被看作未来极具实用化前景的电动汽车储能解决方案之一。锂离子电池在使用过程中会出现温度分布不均的情况，而温度分布不均会影响每个单体电池的使用寿命，导致电池损坏乃至安全事故。基于此，本课题将采用有限元分析方法进行电池温度场建模与分析的研究，在了解锂离子电池p2d模型的基础上，以 comsol软件为仿真平台建立层叠式锂离子电池三维电化学热耦合模型，进行锂离子电池充放电实验对模型进行验证，并基于模型分析层叠式锂离子电池电化学特性和热特性，据此来提出电池的散热改进方案。

电池热问题的实验研究面临着测量精度低、实验控制难等困难，电池热问题的理论分析和仿真分析则面临着参数众多而可信测量结果少等困难。为了应对上述困难，需要灵活运用实验、仿真和理论计算三种研究方法，利用仿真或理论分析的结果来指导实验设计，利用实验验证的结果来改进仿真或理论分析的模型。

针对上述问题和难点，本课题将在热参数验证、热电耦合模拟及验证、散热设计优化三个方面开展研究工作。热参数验证结果为建立高精度的电池热模型提供了可靠输入，经过充分验证的热电耦合模型为进行电池散热设计提供了可靠的理论依据，散热设计优化部分根据大型动力电池的特点，提出散热设计方案。

3. 研究计划与安排

2-4周：熟悉锂离子电池的准二维模型（p2d）；了解comsol有限元分析方法基本原理；学习comsol中电池案例

5-8周：建立层叠式锂离子电池三维电化学热耦合模型；进行锂离子电池充放电实验对模型进行验证；分析了层叠式锂离子电池电化学特性和热特性

9-10周：根据仿真分析结果，提出电池散热方案

4. 参考文献（12篇以上）

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