车用动力电池多内热源生热模型和电热不一致性研究

推广使用以电动汽车为首的新能源汽车是应对全球能源紧缺和环境污染的有力措施。动力电池作为电动汽车的动力源,是电动汽车的关键部件之一。为了延长电动汽车的续驶里程和提高电动汽车的动力性,常将多个动力电池并联使用,以增大电池组的容量和放电电流。由于电池制造过程和使用环境的差异性,单体电池的初始电状态不一致是动力电池成组使用中难以避免的问题。这不仅会降低电池组的充放电效率、加速电池的衰减,还会缩短动力电池包的服役寿命以及加剧电池的产热不均匀和温度分布不均匀程度。单体电池的电状态和热状态是电池管理系统的监测、控制对象,是反映各个单体电池工作电热环境良劣、影响电池性能好坏的重要指标。锂离子电池具有能量高、工作电压高、服役寿命长等优势,是目前在电动汽车上广为使用的动力电池。本文提出了一套研究动力电池电热不一致问题的数值方法体系,以锂离子电池为例,从电芯、单体电池和并联电池组三个层次逐步深入研究初始电状态不一致程度、并联单体个数、充放电电流等因素对其电参数和热参数的变化规律和分布特性。首先,分析对锂离子电芯的生热机理,阐述建立锂离子多内热源的电池生热模型的必要性;以锂离子电芯和电池的特性实验获得电芯及单体电池的电阻特性、开路电压特性为基础数据,建立锂离子电芯和电池的三维多内热源生热模型,运用有限体积法和热平衡理论剖析锂离子电芯和电池的传热、散热特性,创建锂离子电芯和电池的热效应数值模型,利用1C恒倍率充放电温度特性实验的结果验证热效应模型的准确性;建立锂离子并联电芯组和并联电池组的电路模型,开展充放电过程中电芯和电池电参数变化规律的研究;编写FLUENT的UDF程序,实现并联电芯组和并联电池组中各个热源生热速率的单独加载,进行热效应仿真,分析并联电芯组和并联电池组中单体的生热速率和温度的影响因素、变化规律、分布特性。研究结果表明,动力电芯和单体电池的三维多内热生热模型能更好地再现实际使用中电芯和电池的生热情况;将电池中心简化成均匀的产热体后,得到的温度仿真结果比实际要低;电芯组和电池组内单体的电参数和热参数在充放电过程中的变化是十分复杂的,且在充电过程和放电过程的初期和后期,电参数、热参数变化剧烈,这主要是由电芯和电池的电阻特性和电压特性导致的。