SSB蓄电池大容量锂离子电池的分层电热建模与自热优化

2026-03-11 19:53:29

低温条件下集成式内外部加热是提升锂离子电池环境适应性的重要途径。然而对于大容量电池而言，该方法面临着产热不均与热扩散缓慢导致的温度分布不均匀问题。由于缺乏对内部非均匀性的有效建模，加热过程中温度梯度对电池衰减的影响机制尚不明确，且缺乏针对温度非均匀性的理论约束。本研究提出了一种包含6个分层的电-热耦合一维模型，用于分析电池加热过程中的电热不均匀特性，并进行了实验验证。基于该模型，通过考虑老化的多目标优化与约束条件，获得了一种多级变占空比加热策略。随后进一步分析了内部不均匀性特征，揭示了基于理论的温度不均匀性控制规律。结果表明：在不同工况下，该模型的相对误差小于5%，单次加热计算时间低于10秒。所提出的策略可在不加剧性能衰减的前提下，将加热速率最高提升12.5%。研究发现，采用动态递增加热功率的控制策略能够同时保证快速加热、改善电热均匀性并减缓电池性能衰退。本研究解决了电动汽车领域的一个关键挑战，即实现大容量动力电池的快速冷启动同时不加速其性能衰减。所提出的模型与方法在电池热管理领域具有广泛适用性。

引言

锂离子电池（LIBs）因其卓越的性能表现——包括高能量密度、高输出功率及长循环寿命——已成为电动汽车（EVs）动力电池的首选方案[[1], [2], [3]]。特别是容量超过10 Ah的大容量锂离子电池，凭借更高的输出功率与储能密度[5]，已逐步成为主流技术路线[4]。然而锂离子电池在低温环境下会出现性能与安全性的严重衰减，这将显著影响电动汽车在低温工况下的续航里程与动力表现。由于电化学反应动力学缓慢及固液相电导率下降，锂离子电池（LIBs）的可用能量与功率显著降低[6,7]。此外，LIBs在低温条件下难以充电，且易发生锂镀层现象，导致电池加速退化并引发严重安全隐患[8,9]。为提升LIBs的环境适应性并保障电动汽车（EVs）的全气候应用，低温加热技术——即在使用前将电池温度提升至适宜范围——被视为一种有效解决方案[10]。
升温速率与温度均匀性均为低温加热的重要指标[11]，理想加热方式可实现二者兼顾。然而大容量电池因热阻大、内阻低等特点，现有主流加热方法难以满足其快速均匀加热需求。采用外部热源的外加热方式因导热路径较长，温度均匀性较差[12]。相比之下，内部加热依赖于电池自身产热，在应用于低内阻大容量电池时存在能量效率低、加热功率不足的问题[13]。为实现更高功率和更短传热路径的加热效果，集成式内/外部复合加热（即混合加热）方案被提出。该方案同时利用内部与外部热源，已成为未来发展趋势[14]。例如Wang等[15]提出的全气候电池（ACB），通过在电池内部植入镍片实现极速自加热。然而，该方法需改变电池内部结构，这不仅增加了制造成本，还存在潜在安全隐患，因而限制了其实际应用。针对这一问题，本课题组提出了一种三明治构型复合自热结构，无需改变电池内部构造，具有更高的工程可行性。该结构已成功应用于2022北京冬奥会电动巴士[16]。
然而，任何采用附加热源的方法（包括ACB、复合加热及外部加热法）都面临因产热不均和低热扩散系数导致的温度不均匀问题，这一问题在当前流行的大容量电池中尤为突出[17]。温度不均匀性是评估加热方法与策略的重要因素，且与加热导致的损伤存在强相关性[18,19]。温度分布不均会导致非均匀衰减[20]、局部锂析出[21]以及正负极材料的不可逆损伤[22]，进而引起电池充放电性能、容量和安全性的退化[23]。极端情况下，电池局部过热可能引发热失控[24]。鉴于上述重要影响，有必要对加热过程中的电池温度不均匀性进行分析。
然而，现有研究对温度非均匀性影响电池衰减的机理及因素尚不明确，且加热过程中电池温度非均匀性的边界控制仅停留在经验阶段。绝大多数研究仅考虑电池本身的温度非均匀性。例如，Ruan等[25]采用最大温差而非电池衰减作为核心评价指标。加热过程中的温度分布通过实验测量[26,27]或模型模拟[28]获取，但缺乏对温度非均匀性的深入分析与探讨。温度非均匀性会引发电池内部其他状态的非均匀分布，目前这一现象仍停留在定性分析阶段[29]。因此，现有加热策略仅凭经验限制温差[30]或通过加热实验拟合老化数据[31]，而缺乏具有理论依据的温度非均匀性约束。
上述问题的解决依赖于对电池内部非均匀性的精确有效建模，这是研究加热过程中非均匀性影响机制与老化衰退的基础。基于理论推导的温度梯度约束条件、加热方法与控制策略的设计优化同样需要模型指导。现有建模研究中，通常采用基于偏微分方程的热模型[[32], [33], [34]]或基于常微分方程的热等效电路模型（TECMs）[[35], [36], [37]]。该热模型与电池电学模型耦合，通过模拟研究加热过程中电池温度场的时空分布特性，从而实现对加热方法的评估与优化。然而，绝大多数研究采用集总式电气模型，例如一维（1-D）或伪二维电化学模型[[38], [39], [40]]以及等效电路模型（ECMs）[[41], [42], [43]]，这些模型假设电池的电学特性呈均匀分布，并以热模型计算的平均温度作为输入。此类模型忽略了电池内部不同区域在温度、电流密度、极化和荷电状态（SOC）上的差异，无法反映加热过程中的内部非均匀性。尽管部分研究提出了高维电化学模型[44,45]，但由于其复杂度过高且计算成本巨大[46]，难以应用于电池加热控制模拟与策略优化。
为弥补上述研究空白，本文提出一种面向大容量锂离子电池的建模与自热策略优化新方法，该方法可在理论基础上考量并改善内部不均匀性问题。本研究的主要创新点包括：

• (1)
  现有模型忽略了跨层电热耦合的非均匀性。我们的工作通过分布式一维ECM-TECM框架实现了这一跨链桥。所提出的分层模型支持内部电热非均匀性分析，从而辅助加热策略开发，同时具备高精度与计算效率，适用于各类电池型号。
• (2)
  大容量锂离子电池是电动汽车的主流选择，但面临加热不均的挑战[47]。本研究通过自加热优化满足制造商对降解安全热管理的需求。开发了一种优化的可变占空比加热策略，兼顾加热速率与降解控制。获得了加热过程中内部非均匀性动态特性与温差控制模式。这些发现为电池热管理系统（BTMSs）的非均匀性提供了理论指导，有助于实现快速温控与退化抑制。