锂离子电池生热特性及电池组热控制研究

锂离子电池作为电动汽车及其他储能装置的核心备受关注,而其受温度影响变化较大,锂离子电池需要保持在温度为293.15K~323.15K时其充放电性能以及循环寿命都最佳,电池的寿命最佳,热管理系统能够为电池组解决充放电过程中的生热过高和内部电池组之间差异过大的问题,本文以LiNi_(0.5)Co_(0.2)Mn_(0.3)O_2(523)圆柱锂离子电池为实验研究对象,首先通过电池不同温度的充放电测试研究电池的放电和生热特性,其次基于CFD理论基础,根据电池的质量集中模型建立生热模型,并研究了电池组的静态工况和动态工况,最后进行电池组热管理设计和实验验证,具体内容如下:(1)通过搭建电池温度测试实验平台对单体电池进行在恒温箱温度为253.15K~313.15K电池的充放电性能,结果表明电池的放电特性在低温时较差,低温时电池内部电解液和正负极材料活性降低,常温303.15K相比低温253.15K电池的容量和初始工作电压分别下降了45%和10%,由于低温时,电池内部的电解液中离子扩散速度缓慢,导致其内部电阻的增加和其整体容量的衰减;通过研究三元锂离子电池的可逆热和不可逆热来计算电池的产热速率,获得电池的单位体积产热速率,选择质量集中模型对单体电池进行建模和温度仿真,通过CFD技术来预测电池的温升大小及趋势,结果表明其仿真最大误差小于1.5K,具有较好的温度预测性。(2)对纯电动汽车电池组进行动态工况仿真,采用多个城市工况以及爬坡工况等进行研究,仿真结果表明正常的城市动态工况的强度不大,小于单体电池的2C恒流放电的功耗;此外针对电池组研究了不同的网格类型、不同倍率下、不同结构的多个静态工况的分析,结果表明在选择电池组的网格时对电池组的影响不大,选择结构时尽量选择矩形作为成组结构,针对不同倍率下的生热研究表明在2C及其以上倍率放电时,在只有自然对流无辅助散热的情况下,出现了内部温度达到327K超过了锂离子电池的合理温度,而且伴随着热集聚现象,其内部电池之间的差异较大,需要针对成组生热特性进行散热设计。(3)针对电池组中心区域温度较高,内部温差较大等建立液冷电池模型,并且选择了4×4的电池模组作为研究对象,通过CFD技术对各个参数进行优化,获得最佳的入口速度,管道直径,冷却液温度等,并且仿真了多个高倍率静态工况下的产热分析,最后通过实验验证了散热方案的可行性。