层叠式锂离子电池空气冷却实验研究及优化

随着全球范围内的能源短缺、气候变化、环境污染以及地缘政治格局冲突,中国已经下定决心降低对石油的依赖度。与传统燃油车相比,电动汽车具有节能和减排双重优势,成为汽车工业的发展新方向,有望实现中国汽车工业的弯道超车。动力电池作为电动汽车的主要部件之一,对电动汽车性能的好坏起到了决定性的作用。锂离子电池具有高比功率、高比能量、高安全性、长循环寿命等诸多优点,已经成为电动汽车的主要动力源,但是由于其在充放电过程中会释放大量热量,存在单体电池和电池组的热不一致性问题,使电池组温度过高或者不均匀性过大,不仅影响电池的寿命和性能,严重时甚至引起电动汽车热失控,因此必须通过适当合理的热管理方式对其进行控制,以提高整车性能。本文选取一款大型层叠式三元锂离子电池为研究对象,设计并搭建了自然对流和强制对流空气冷却实验平台,通过红外热成像技术探究了不同实验工况下电池温度特性。自然对流工况研究环境温度25℃时,以不同放电倍率时电池表面温度特性及其变化规律。强制对流工况主要研究环境温度25℃,3 C放电时不同冷却风流动方向、冷却风流速、流道高度对电池表面温度分布的影响,并针对存在电池表面温差过大的缺点提出往复流冷却方案。在往复流实验中研究了不同往复流起始时刻、等间隔复流周期和非等间隔往复周期对电池温度特性的影响,并对非等间隔往复周期的往复流实验进行优化。实验结果表明:(1)放电初期(前30%DOD),低倍率(0.5 C、1 C、1.5 C)放电高温区域位于电池下部,而高倍率(2 C、2.5 C、3 C)放电时高温区域位于正极极耳附近;放电末期(末20%DOD),高、低倍率放电高温区域均位于电池中下部的温度分布。(2)冷却风流动方向对电池的温度分布及均匀性有显著影响,正单向流能够有效降低电池温度,反单向流恶化了电池的温度分布,温升温差分别比正单向流高8.2℃和5.5℃;冷却风速提高有利于降低电池最大温升,但是最大温差增加;流道高度增加虽然能够降低电池最大温升和最大温差,但是扩大了电池占用空间,影响电动汽车整体设计。本文中正单向流、冷却风速7.0 m/s、流道高度3mm为最佳实验条件。(3)往复流冷却能够明显降低电池温差,最高温度下降1℃左右,效果不明显。相比等间隔往复周期,非等间隔往复周期30 s:60 s往复流能够更有效降低电池表面温差,提高温度均匀性。