车用动力电池热特性分析及液冷方式的热蔓延抑制研究

动力电池作为电动汽车的核心部件,其各项性能直接影响电动汽车的使用性能。温度又是影响动力电池充放电性能、循环寿命以及安全性的至关重要的因素之一。设计有效的热管理系统,需要深入理解电池的热特性,获取电池内部核心温度,确定电池各项热物性参数,同时也应当全面考虑电池发生热失控时的安全性问题。本文在电池热模型与物性参数测量,电池内部温度测量方法,液冷电池组散热特性以及电池组热失控蔓延抑制方法四个方面开展研究工作。以一款商用方形大容量三元(Li[Ni_(1?3)Co_(1?3)Mn_(1?3)]O_2)锂离子电池为例,从电池单体到电池模组,从电池正常工作状态热管理问题到电池热失控蔓延的抑制方法,对电池热问题进行了系统性研究。(1)在电池热模型与物性参数测量方面:基于Bernardi电池系统能量平衡方程建立了电池单体的三维产热模型;采用实验测试的方式,获取电池热模型输入的关键参数,主要包括等效直流内阻、比热容、各向导热系数、熵系数、开路电压和工作电压等参数。模型参数的准确测量,保证了电池热模型的计算精度。(2)在电池内部温度获取方面:针对大容量方形电池内部温度难以获取的问题,提出了一种新的内置热电偶的方法,并通过对比有、无内置热电偶电池的容量、开路电压、直流内阻、温升曲线等基本特性参数,验证了该种内置热电偶方法的可行性;采用电池内部和电池表面的实验温度数据对电池热模型的准确性进行了充分验证。该内置热电偶的方法对研究方形硬壳电池内部和表面温度以及电池热管理的设计都具有重要的意义。(3)在电池液冷模组散热特性方面:基于电池单体三维热模型,建立电池液冷模组的仿真计算模型;并且搭建了液冷循环实验回路,设计加工了电池液冷模组,在自然对流和液冷循环条件下,进行电池模组的温升实验;对比实验结果和模型计算结果,验证了电池液冷模组产热模型的准确性;采用验证后的模型,对电池液冷模组进行优化设计,使得电池模组的在3C倍率下充电的最高温度相对优化前降低4.7℃。(4)在电池热失控蔓延抑制方面:基于电池液冷循环实验系统,采用气凝胶隔热层和液冷板散热装置,对电池模组进行改装设计,并对改装后的电池模组进行热失控蔓延实验;对比分析了增加气凝胶隔热层、增加液冷板散热装置以及将二者结合使用对电池热失控蔓延的影响。结果表明:(a)采用气凝胶隔热层可以将两个电池之间的平均蔓延时间从84.6s延缓至386.0s,这大大增加了乘员的逃生时间,但是仍然不能完全抑制热蔓延的发生;(b)采用液冷板散热,对电池热失控蔓延的影响不显著;(c)结合使用气凝胶隔热层和液冷板散热装置,成功抑制了电池热失控蔓延的发生,对提高电动汽车的安全性具有非常重要的意义。