基于热-机-电耦合模型的大型动力电池性能优化研究

The optimization of large-format traction battery plays an important role to improve battery performance. It is the significant intermediate link to communicate battery material development and system integration, and is also the core technology to support the commercialization of electric vehicles. At present, the design of large-format traction batteries is primarily based on individual experience, supplemented by trial-and-error experiments and reverse improvements, which lacks theoretical guidance and the support of forward design method. The program is proposed to establish a performance optimization method of the large-format traction Li-ion battery based on the thermal-mechanical-electrochemical model, which helps to improve the energy density, discharge power density, fast charge acceptance, safety and lifespan of the battery. In the experimental means, it is intended to develop an integrated embedded-sensor measurement method which helps to detect the internal state of the battery; in the theoretical model, the interaction mechanism between battery mechanical properties and thermal-electrochemical characteristics is studied, and a thermal-mechanical-electrochemical multi-physics model is established; in the practical applications, the index system to evaluate battery performance is developed, the impact of design parameters on battery performance is assessed, and some conclusions are drawn about the scientific criteria of battery optimization and safe margins of battery size. The program is intended to build up the scientific design process, and to provide theoretical guidance for improving product performance of large-format traction batteries.

大型动力电池单体的优化设计是提高产品性能的重要手段，是沟通电池材料研发与电池组系统集成的关键环节，也是支持电动汽车商业化的核心技术。目前，电池性能优化主要依据个案经验，并辅以试错实验进行逆向改进，缺乏理论指导与正向设计方法的支撑。本项目以大型锂离子动力电池为实验对象，研究以热-机-电耦合模型为基础的电池性能优化方法，以期全面提高产品的能量密度、放电功率密度、快充接受能力、安全性和使用寿命。在实验手段上，拟建立以集成式预埋传感器为主的测量方法，提高电池内部状态的可知性；在理论模型上，探索热、机、电特性的相互作用机理，建立电池的热-机-电多场耦合模型,为性能优化提供精度较高的理论工具；在实际应用中，拟建立评价电池性能的指标体系，明确设计参数对性能的影响规律，并得出电池性能优化的科学准则及电池大型化的安全边际。本研究有助于增强电池设计流程的科学性，为提高我国大型动力电池的产品性能提供理论指导。

大型动力电池单体的优化设计是提高产品性能的重要手段。目前，电池性能优化主要依据个案经验，并辅以试错实验进行逆向改进，缺乏理论指导与正向设计方法的支撑。本项目以大型锂离子动力电池为实验对象，研究以热-机-电耦合模型为基础的电池性能优化方法。本研究有助于增强电池设计流程的科学性，为提高我国大型动力电池的产品性能提供理论指导。.经过三年时间的持续研究，在本项目中，建立了基于耦合模型的电池性能优化理论体系，开发了服务于建立高精度耦合模型的一系列具体方法，并通过数个具体案例实现了多例电池性能优化的应用。.首先，在实验手段上，开发了电池内部分布式信息的三种测量方法，包括：内部预埋热电偶阵列以测量内部温度分布，内部预置多传感器集成式柔性电路板以同时测量电池内部电位、温度分布，以及特制多极耳绝缘式电池以测量电池内部各层电极板之间的电流分布。这些内部分布式信息是验证模型精度的重要手段，并直接揭示了电池设计中的短板问题。.其次，在理论模型上，实测了电池热物性参数、产热率等热模型中的项以提高热模型精度；单独研究了电池的机械特性；探索了电池热、机、电属性耦合的基本原则与途径，并建立了电池的多场耦合模型。.最后，以上述实验与理论工作为基础，项目提出了电池性能优化设计的整体理论框架，包括电池优化设计的参数清单和电池优化设计的多目标体系。其中，着重分析了多个不同优化目标之间的相互关系，尤其是存在矛盾性的多个设计目标。而后，将这一理论用于设计实践，完成了一款层叠式铝塑膜电池的性能优化设计，给出了其关键尺度设计、最大容量设计等内容。.在项目研究过程中，共发表标注有项目号的SCI国际期刊论文15篇（平均影响因子>4）、国内期刊论文3篇，其中项目负责人为第一/通讯作者、第二作者的论文12篇，1篇SCI论文被评为Web of Science ESI高引用论文（他引top 1%）、热点论文（他引top 0.1%）、期刊Journal of Power Sources ‘Top 20 downloaded paper’。申请发明专利3项。项目组成员多次出席国际会议并就相关内容做特邀报告。在项目研究的带动下，项目负责人另在与本项目相关的扩展领域获得国家重点实验室培育项目、清华大学校自主课题两项资助。2015年，项目负责人以本项目的延伸性研究为申请内容，在同一领域代码E0712下获得了自然基金面上项目的持续资助。