动力电池单体及模组热特性试验与仿真研究

作为电动汽车动力来源的动力电池组,其锂电池热安全问题一直以来备受关注。电动汽车在实际运行过程中,电池模组不可避免的会长时间或高倍率放电。电池产生的热量如果不能及时传递出去,将导致模组内部单体电池温度不断升高并加剧内部各单体电池温差。另外,单体电池性能受温度影响比较明显,因此长此以往将导致内部单体电池性能的不一致,从而致使电池循环寿命严重降低;热量的聚集会造成电池模组内部单体电池热失控,从而可能造成电池模组燃烧爆炸等安全问题。因此,动力电池模块中高效率导热结构研究成为当下的重中之重。本文主要研究内容及结论如下:1.通过D.Bernardi锂电池生热率构建了基础产热模型,研究了锂电池工作过程中的热辐射、导热及对流换热,确定了需要测定的基础物理参数及几何参数目标。通过电池拆解试验、内阻测定试验、温升试验及容量、能量测定试验,研究了电池实际生热过程中电流及环境温度对电池性能的影响。试验研究表明:同一型号电池同一工况下内阻、放电容量存在不一致性;电池正负极及中间部放电时出现温度差,温度差值在2.1℃以内;测试电流超过3A工况时温度将超过50℃的舒适温度;内阻波动变化范围保持在15～30mΩ以内;在电池冲放电循环过程中,放电容量及能量出现了衰退迹象;荷电容量在0～0.8区间内,试验电池的电压温度系数均大于0;镜像试验发现短路及针刺行为引起了石墨及正极活性物质的脱嵌现象,严重破坏了电池的电极材料结构,造成了电池的严重损坏。2.针对生热机理建立了锂电池简化模型,并通过仿真分析了常自然对流系数下的不同恒流放电及不同环境温度下的温升特性,并与试验数据进行了分析对比。建立了温度优化流程,构建了变值对流系数的UDF模型,优化了 30℃环境温度工况下6A放电的仿真温度误差。结果表明:在自定义热源下,自然对流系数设置为常数时,仿真截至温度数值结果误差率均低于5%,但仿真过程中的误差率均超过9.48%,最差可达到23.88%。经过优化,25℃环境工况下6A放电的温度精度提高到了 2.9%。3.针对已有的电池箱模型,确立了本文计算模组,并确定单体电池交错式排布方式,分别从入口流量、冷却液温度、接触角度、流道高度、流道接触角度四种因素对电池组散热性能进行了研究。并根据温差过大问题,提出变接触角度结构优化策略。研究结果表明:增加冷却液入口流量及降低冷却液温度可有效降低电池温度,但会增加系统负荷;增加接触角度以及流道高度对散热性能有一定影响,但会随着数值变大而降幅会逐渐降低;采用变接触角度可以降低电池组温差,降低量可达24.05%。