动力锂离子电池系统热管理研究

对锂离子电池系统进行热管理是保证电池使用安全、延长电池使用寿命和提升电池系统性能不可或缺的环节。随着近年来新能源车辆跨越式的发展,锂离子电池单体的容量与尺寸逐渐增大、电池系统包含的电池数量逐渐增加、高功率运行工况逐渐增多,给锂离子电池热管理系统的设计与优化带来了严峻的挑战。为解决大型动力锂离子电池热管理系统开发与设计中遇到的难题,本文研究工作围绕电池建模、电池热特性研究、散热结构设计和散热控制策略等电池热管理系统设计中的关键技术展开。首先,针对电池热管理系统设计各阶段的不同模型需求,分别建立了锂离子电池的机理模型、集总参数热-电耦合等效电路模型和分布参数热-电耦合等效电路模型;推导了各模型的数值解法;通过模型仿真结果与实验结果的对比,验证了各模型的精度;分析了放电过程中固相/液相锂离子浓度、固相与液相的交换电流、极片上电势、极片内电流、垂直极片平面的电流和极片平面内的温度等电池内部变量的分布和发展规律。其次,通过实验研究了电池工作温度对电池内阻、容量利用率、能量利用率以及容量衰退速率等特性的影响;提取了容量衰退率、能量利用率和满载工作时间等参数作为影响热管理系统温度控制目标的关键因子;提出了基于关键因子的热管理系统温度控制目标优化方法。再次,研究了不同散热方式的结构,建立了空气冷却、散热片冷却、直接液冷和间接液冷等现有散热方式的流-热耦合模型,仿真分析了流体流速对各冷却方式的影响,从散热系统的额外增重、散热性能和热管理系统能耗等多个角度对比分析了各散热方式的优缺点;提出了极耳散热方法,搭建了电池单体极耳散热效果测试平台,并通过实验验证了极耳散热方式不仅能够满足大型软包动力锂离子电池在高倍率持续运行工况下的散热需求,还能够消除极耳连接内阻对电池极耳附近温度的影响并保持电池本体温度的一致性。最后,针对一个大容量软包动力锂离子电池模组提出了不同的极耳散热方案,并通过实验测试了各方案的散热效果;搭建了包含半导体制冷环节的电池模组温度控制平台,并通过实验获得了面向控制的极耳散热电池模组的热模型;使用该热模型推导了包含电池模组工作电流前馈环节的电池温度动态矩阵预测控制算法;分析了采样周期、预测时域、控制时域等动态矩阵控制算法参数对电池模组温度控制的影响;通过仿真与实验结果发现了动态矩阵预测控制具有超调小、最大制冷功率需求小等优势,能够较好地解决由电池模组温度响应速度慢而带来的控制难题。