车用动力电池电连接不一致的电-热特性研究

电池模组、电池包存在着不容忽视的电-热不一致性问题,这对电池的充放电效率、可用容量、使用寿命以及安全性都存在影响。电池的电-热不一致性是多方面原因造成的,已有的研究主要集中在电芯本身性能差异、长期搁置期间电池自放电以及使用过程中电池包热环境不均匀、充放电深度不一致等方面。事实上,电池包内部的大量电触点受初始装配条件、车载振动工况以及环境腐蚀老化等影响,其接触电阻值存在较大差异,影响电池包内电流分布,也是导致电池不一致性的重要因素。甚至个别电触点的松动故障还会导致界面处产生大量热,存在热失控的安全隐患。在考虑电池电连接差异性的基础上,结合电接触、电池外特性及电芯生热相关理论,提出了一套研究车用电池电连接不一致问题的数值方法体系,分析电连接不一致在电池电-热性能上的耦合影响。并以某锂离子电池为研究对象,从并联电芯组和串联电芯组两个方面开展了研究工作。首先,从电池系统电连接种类、电接触特点以及电池工作原理三方面入手,阐述电连接生热与电芯生热机理,对电池外特性进行解释评价;其次,搭建电池性能测试平台,通过电芯的参数识别试验,对电芯的初始容量、欧姆内阻、极化内阻和平衡电势参数进行辨识和拟合,基于这些参数使用Simulink和Simscape工具搭建含三阶RC网络的电池外特性仿真模型,并搭建含电接触外部热源及电芯时变内热源的生热模型;计算电池组的内、外部生热,在Fluent软平台编写UDF和Profile实现对电芯内核的时变生热率和时变边界条件的加载,基于热平衡方程求解电池温度场。设计了三组接触电阻不一致程度不同的情况,分别对并联和串联电芯组进行分析,考察不同接触电阻大小对电芯组的影响以及电芯组内接触电阻差异对各电芯的影响。研究表明,含电接触的电池外特性模型和含时变多热源的热效应模型能够很好地反映电连接不一致造成的电芯组电-热状态不一致现象,并联电芯组在过高及过低SOC范围工作时各电芯的电-热参数将发生剧烈波动。为保证SOC估计的准确性,3C放电时各电连接处的最大接触电阻不能超过电芯欧姆内阻的30%;电连接通过触点自身生热和影响电流分布两方面作用于并联电芯组的温度分布,串联时各电芯的温度差异较小。