动力电池热特性分析及冷却系统优化

在如今资源短缺与环境污染问题日益突出的境况下,电动汽车无疑成为全球重点关注和发展的领域,但是电动汽车还有很多技术难度需要突破,动力电池技术就是其中之一。动力电池的性能提高与电池的热特性和热管理息息相关,良好的电池热管理系统可以最大化发挥动力电池包的性能。动力电池热特性和温度特性是研究电池热管理的基础,可以为动力电池热管理的控制目标和传热设计提供参考,最大限度发挥动力电池的工作性能并延长使用寿命。为此,本文依靠国家重大专项项目的资助采用测试平台开发-电池特性实验-理论分析-仿真优化的技术路线,重点研究了软包电池在充放电过程中的温度特性、热特性,建立并验证单体产热数学模型,并详细分析模组冷却系统的各变量对模组热管理性能的影响,最终对模组冷却系统进行优化。具体的研究内容及所得结论如下:(1)本文基于LABVIEW软件设计开发了锂离子动力电池测试系统,对大容量(48Ah)车用软包三元锂离子电池进行热特性、温度特性研究。对于电池的放电性能,电池工作温度过低会使电池的工作电压降低,放电功率显著下降,同时也会使电池的放电时间大大缩短,降低了放电容量。当电池温度较高时,增加电池工作温度对电池的工作性能影响不大,反而高温会降低电池的使用寿命;对于电池的充电性能,电池工作温度过低会使恒流充电时间缩短并且总充电时间也较长,而且还会减少电池的充电容量。随着电池工作温度升高,充电时间明显减少,工作温度超过35℃后,继续升高工作温度对电池的充电性能影响不大;对于电池的内阻特性,电池温度过低时电池的充电内阻、放电内阻都迅速增加,放电内阻中的极化内阻对低温最为敏感。(2)测定各放电状态的熵热系数,发现熵热系数和温度无关只与电池放电深度有关,随着放电深度的增加,熵热系数先增加后减小。利用Matlab/Simulink软件基于Bernardi产热机理建立单体电池产热模型,通过不同倍率恒流放电的实验温升和仿真温升对比,模型最大相对误差为4.80%,产热模型的精度较高。通过研究软包锂离子电池的内部结构和传热路径,设计了底部散热的冷却方案并通过STAR-CCM+软件建立了模组冷却仿真模型,并把产热模型计算出的产热率作为电池的热源。(3)分析管路截面、导热胶导热系数、电池体导热系数、导热路径、流道分布对模组热管理性能的影响。方形管路比圆形管路的截面积更大,所以管路的压降较低;增加导热胶的导热系数有利于将电池底部的热量传导至冷却板,有效降低模组最高温度,但同时也增加了模组的温差;增加电池体的导热系数利于电池顶部热量向下传导从而温均性得到提高;通过增加电池顶部与外壳之间的导热路径,可以降低模组最高温度和温差;改善流道结构使内部流道分成两条流道并且先让冷却液从冷却板的两侧流过不仅可以大大降低流道进出口压降还提高了模组的温均性;最终优化的冷却方案的电池模组最高温度比初始方案下降了0.39℃,温差降低了1.0℃,对于降低温差有显著效果,提高了31.35%。