基于流动沸腾的LiFePO_4电池冷却及热安全研究

作为新能源汽车以及电池基储能系统的核心部件,锂离子电池性能是影响新能源汽车以及其他以锂离子电池为动力源的机械电子设备运行性能的主要因素。充放电过程中较高的产热速率极易造成电池过热而影响电池性能以及寿命,误用工况下还可能引发电池热失控而造成安全事故。本文从LiFePO4动力电池热安全角度出发,围绕电池热管理系统(Battery Thermal Management System,BTMS),开展了包括电池冷却性能提升、电化学-热耦合特性以及热失控行为方面的研究。首先,实验研究了放电倍率以及运行温度等宏观因素对单体LiFePO4电池热、电特性的影响。设计了基于常压低沸点电子冷却液电池间流动沸腾换热的电池冷却实验系统,并对系统性能进行了分析。研究发现,本文所提出的热管理方式有着优良的冷却性能:在工质发生相变的条件下,能够有效地将电池最大温度控制在40℃左右且电池表面温度均匀性显著提高。同时发现系统冷却性能与电池模块整体电压分布之间的相互影响关系:冷却性能的强化导致电池模块电压下降。电池产热速率在整个放电过程中的非稳态特征,使得系统存在一个合适的冷却液流量范围,在该范围内冷板通道中的流型以两相流为主,在确保电池运行温度在安全区间的同时,提高电池表面温度均匀性。基于电池热导率各向异性特征,将三维流固耦合非稳态BTMS模型简化为对流换热边界条件的二维稳态模型。基于此模型,综合分析了通道宽高比、系统质量流量、铝带宽度以及电池与通道之间的接触热阻对BTMS冷却性能的影响;研究了电池模块能量密度与冷却性能之间的相互制约关系。最后,从单体电池冷却结构设计以及电池模块组合形式两方面明确了 BTMS性能改善方向。探究电池内部电化学反应机理、产热特性以及热-电耦合机制是BTMS研究的重要基础。首先建立了一维电化学-热耦合模型,分析了放电倍率以及运行温度对电芯运行性能的影响:更高的放电倍率以及较低的运行温度会加剧电极层中电化学反应速率不均匀性,同时影响电芯产热速率以及不同机理产热比例。相比于电极厚度较薄的电池,由于整体较高的热响应、较强的Li+嵌入/脱嵌强度以及SOC分布不均匀性引起的应力不平衡,导致电极层较厚的电池的容量以及电压衰减速率更快。同时,基于一维多电芯模型,分析了电池外部冷却条件与电池内部电化学反应相互作用机制:由于电池内部热导率的各向异性特性,导致电池在有外部冷却时厚度方向存在温度梯度,该温度梯度使得电池内不同电芯出现不均衡的放电行为,外部冷却能力的提升则会进一步加剧该现象。考虑方形电池极耳结构以及厚度方向多电芯层状结构特征,建立了电池厚度方向二维截面多电芯模型。模型研究结果证明,电池厚度方向不同电芯之间电势分布以及电流密度分布均存在由几何因素主导的不均匀特征。同时,由于极耳的电流汇聚作用而导致电池内部近极耳区域存在热点。而在实际使用的电池中,电池极耳与外部连接件之间的接触电阻以及较小的接触面积,将进一步加剧极耳的热效应。考虑电池在极端工况下的热安全特性,基于MATLAB编程,建立了简化的电池热失控解析模型。利用该模型,分析了电池热传递特性对热失控行为的影响,结果表明电池热安全状态不仅决定于电池外部散热条件,电池厚度方向热阻也是影响电池热安全性的重要因素。研究了沸腾换热对电池热失控行为的抑制效果。结果表明,该方法能够有效地控制热失控在电池模块内部的传播,但是能否抑制单体电池热失控行为则决定于电池内部热传递特性。