三元锂离子电池多目标热优化
发布时间：2021-02-04 19:56
锂离子电池的产热对其安全性和寿命有很重要的影响。本文基于COMSOL Multiphysics平台,针对51 A·h三元软包层叠式锂离子电池,提出了其与电极对耦合的三维电化学-热耦合有限元分析模型,结合响应面法研究正极厚度、极板宽度、正极极耳厚度、正极极耳宽度、负极极耳厚度、负极极耳宽度6个设计参数对温度场的影响,通过线性加权组合法和随机梯度下降法,求得降低电池平均温升和最大温差的最优方案。结果表明,正极厚度对温度场影响较大,与温升正相关,但是厚度小到一定程度后影响减弱。极板宽度与极耳尺寸的增加能降低放电末期电池的温升;其数值在一定范围内时,电池的最大温差达到最小值。这套优化方案误差小于2.68%,平均温升降低2.93℃,最大温差降低0.596℃,有助于提高电池的安全性和寿命,为其他电池的多目标热优化提供了参考。
【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(06)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
三维电化学-热耦合模型Fig.1Three-dimensionalelectrochemical-thermalcouplingmodel
储能科学与技术2020年第9卷中基本遵循一条直线，表明复合相关系数R2靠近1，证明了近似函数模型的可靠性。基于线性加权组合法，将多目标处理成一个新的目标函数，之后从随机梯度下降法(SGD)[15]得到的解集里找到最优解。新的目标函数如式(2)所示minF(x)={w2éêc(x)-cmincmax-cminùú2+(1-w)2éêD(x)-DminDmax-Dminùú2}1/2(2)式中，c(x)和D(x)代表响应参数，max和min代表最大值和最小值；w为权值，范围在0和1之间。w值反映了响应参数的重要程度，其值越大，结果越有利于c(x)。一般w值都是根据经验所得。优化过程的响应参数是电池的平均温升Tave和最大温差ΔTmax，这两个参数对电池寿命和安全性均有较大影响，然而现阶段没有精确数值衡量影响程度，因此本文中定性认为这两个值有同等的重要性[16]，因此w取值为0.5。设计参数的选择要考虑成本和相关性，因此电池的设计参数包含正负极极耳的宽和厚，正极厚度以及极板的长和宽。为了不影响电池容量，在保证极板的面积是定值的基础上调整极板的长和宽来研究极板尺寸对电池产热的影响。电池放电倍率为1C，环境温度为室温。采取六因素三水平的实验设计方案，取值范围见表3。研究设计参数的交互影响时，其他设计参数均取中等值。1.3验证实验设计将电池置于温度为(25±2)℃的高低温防爆箱中，并将正负极耳连接至5V/300A恒翼能动力电池测试系统。将T型热电偶贴在电池表面，利用多路温度记录仪测量电池表面温度。图4为电池的热电偶布置。用0.33C(16.8A)的恒流充电
储能科学与技术2020年第9卷中基本遵循一条直线，表明复合相关系数R2靠近1，证明了近似函数模型的可靠性。基于线性加权组合法，将多目标处理成一个新的目标函数，之后从随机梯度下降法(SGD)[15]得到的解集里找到最优解。新的目标函数如式(2)所示minF(x)={w2éêc(x)-cmincmax-cminùú2+(1-w)2éêD(x)-DminDmax-Dminùú2}1/2(2)式中，c(x)和D(x)代表响应参数，max和min代表最大值和最小值；w为权值，范围在0和1之间。w值反映了响应参数的重要程度，其值越大，结果越有利于c(x)。一般w值都是根据经验所得。优化过程的响应参数是电池的平均温升Tave和最大温差ΔTmax，这两个参数对电池寿命和安全性均有较大影响，然而现阶段没有精确数值衡量影响程度，因此本文中定性认为这两个值有同等的重要性[16]，因此w取值为0.5。设计参数的选择要考虑成本和相关性，因此电池的设计参数包含正负极极耳的宽和厚，正极厚度以及极板的长和宽。为了不影响电池容量，在保证极板的面积是定值的基础上调整极板的长和宽来研究极板尺寸对电池产热的影响。电池放电倍率为1C，环境温度为室温。采取六因素三水平的实验设计方案，取值范围见表3。研究设计参数的交互影响时，其他设计参数均取中等值。1.3验证实验设计将电池置于温度为(25±2)℃的高低温防爆箱中，并将正负极耳连接至5V/300A恒翼能动力电池测试系统。将T型热电偶贴在电池表面，利用多路温度记录仪测量电池表面温度。图4为电池的热电偶布置。用0.33C(16.8A)的恒流充电
【参考文献】：
期刊论文
[1]带有方差减小的加权零阶随机梯度下降算法[J]. 鲁淑霞,张罗幻,蔡莲香,孙丽丽. 河北大学学报(自然科学版). 2019(05)
[2]基于多尺度锂离子电池电化学及热行为仿真实验研究[J]. 张志超,郑莉莉,杜光超,戴作强,张洪生. 储能科学与技术. 2020(01)
[3]三维锂离子单电池电化学-热耦合模型[J]. 张立军,李文博,程洪正. 电源技术. 2016(07)
[4]车用动力锂离子电池热模拟与热设计的研发状况与展望[J]. 张剑波,吴彬,李哲. 集成技术. 2014(01)
硕士论文
[1]车用锂离子电池热分析[D]. 史玉军.昆明理工大学 2017
[2]某重型汽车车架多目标拓扑优化设计及其有限元分析[D]. 崔伟.湖南大学 2012
本文编号：3018853
【文章来源】：储能科学与技术. 2020,9(06)
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
三维电化学-热耦合模型Fig.1Three-dimensionalelectrochemical-thermalcouplingmodel
储能科学与技术2020年第9卷中基本遵循一条直线，表明复合相关系数R2靠近1，证明了近似函数模型的可靠性。基于线性加权组合法，将多目标处理成一个新的目标函数，之后从随机梯度下降法(SGD)[15]得到的解集里找到最优解。新的目标函数如式(2)所示minF(x)={w2éêc(x)-cmincmax-cminùú2+(1-w)2éêD(x)-DminDmax-Dminùú2}1/2(2)式中，c(x)和D(x)代表响应参数，max和min代表最大值和最小值；w为权值，范围在0和1之间。w值反映了响应参数的重要程度，其值越大，结果越有利于c(x)。一般w值都是根据经验所得。优化过程的响应参数是电池的平均温升Tave和最大温差ΔTmax，这两个参数对电池寿命和安全性均有较大影响，然而现阶段没有精确数值衡量影响程度，因此本文中定性认为这两个值有同等的重要性[16]，因此w取值为0.5。设计参数的选择要考虑成本和相关性，因此电池的设计参数包含正负极极耳的宽和厚，正极厚度以及极板的长和宽。为了不影响电池容量，在保证极板的面积是定值的基础上调整极板的长和宽来研究极板尺寸对电池产热的影响。电池放电倍率为1C，环境温度为室温。采取六因素三水平的实验设计方案，取值范围见表3。研究设计参数的交互影响时，其他设计参数均取中等值。1.3验证实验设计将电池置于温度为(25±2)℃的高低温防爆箱中，并将正负极耳连接至5V/300A恒翼能动力电池测试系统。将T型热电偶贴在电池表面，利用多路温度记录仪测量电池表面温度。图4为电池的热电偶布置。用0.33C(16.8A)的恒流充电
储能科学与技术2020年第9卷中基本遵循一条直线，表明复合相关系数R2靠近1，证明了近似函数模型的可靠性。基于线性加权组合法，将多目标处理成一个新的目标函数，之后从随机梯度下降法(SGD)[15]得到的解集里找到最优解。新的目标函数如式(2)所示minF(x)={w2éêc(x)-cmincmax-cminùú2+(1-w)2éêD(x)-DminDmax-Dminùú2}1/2(2)式中，c(x)和D(x)代表响应参数，max和min代表最大值和最小值；w为权值，范围在0和1之间。w值反映了响应参数的重要程度，其值越大，结果越有利于c(x)。一般w值都是根据经验所得。优化过程的响应参数是电池的平均温升Tave和最大温差ΔTmax，这两个参数对电池寿命和安全性均有较大影响，然而现阶段没有精确数值衡量影响程度，因此本文中定性认为这两个值有同等的重要性[16]，因此w取值为0.5。设计参数的选择要考虑成本和相关性，因此电池的设计参数包含正负极极耳的宽和厚，正极厚度以及极板的长和宽。为了不影响电池容量，在保证极板的面积是定值的基础上调整极板的长和宽来研究极板尺寸对电池产热的影响。电池放电倍率为1C，环境温度为室温。采取六因素三水平的实验设计方案，取值范围见表3。研究设计参数的交互影响时，其他设计参数均取中等值。1.3验证实验设计将电池置于温度为(25±2)℃的高低温防爆箱中，并将正负极耳连接至5V/300A恒翼能动力电池测试系统。将T型热电偶贴在电池表面，利用多路温度记录仪测量电池表面温度。图4为电池的热电偶布置。用0.33C(16.8A)的恒流充电
【参考文献】：
期刊论文
[1]带有方差减小的加权零阶随机梯度下降算法[J]. 鲁淑霞,张罗幻,蔡莲香,孙丽丽. 河北大学学报(自然科学版). 2019(05)
[2]基于多尺度锂离子电池电化学及热行为仿真实验研究[J]. 张志超,郑莉莉,杜光超,戴作强,张洪生. 储能科学与技术. 2020(01)
[3]三维锂离子单电池电化学-热耦合模型[J]. 张立军,李文博,程洪正. 电源技术. 2016(07)
[4]车用动力锂离子电池热模拟与热设计的研发状况与展望[J]. 张剑波,吴彬,李哲. 集成技术. 2014(01)
硕士论文
[1]车用锂离子电池热分析[D]. 史玉军.昆明理工大学 2017
[2]某重型汽车车架多目标拓扑优化设计及其有限元分析[D]. 崔伟.湖南大学 2012
本文编号：3018853
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlilw/3018853.html
教材专著
