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电动汽车动力电池热特性及热管理方式研究

李恺翔  
【摘要】:面对全球范围内日益严峻的石油危机及环境污染问题,电动汽车(Electric Vehicle EV)作为替代传统燃油汽车的最终解决方案已经被世界各国认可。我国将电动汽车技术研究作为汽车产业升级及环境经济可持续发展的重要举措。动力电池系统作为电动汽车的核心部件直接影响电动汽车的动力、安全及续航里程等关键性能。其中电池热管理系统(Battery Thermal Management System BTMS)对电池温度进行实时监测与控制,对优化电池组性能、提升电池循环寿命及防止电池热失控等方面具有重要意义。本文以卷绕式和叠层式锂离子动力电池(Lithium-ion Battery LIB)为研究对象,首先对锂离子动力电池在不同工况下的热特性进行了实验及数值模拟研究,其次针对电池热特性及其变化规律设计了基于电池热特性的热管理系统,实现了理想的热管理效果。主要研究内容及相关结果如下:(1)叠层式锂离子电池的热特性研究。此部分聚焦叠层式焦锂离子电池单体电芯的发热问题,利用红外热成像(Infrared Imaging IR)技术观测单体电芯在放电过程中温度分布及变化,研究了单体电芯在不同放电倍率(Discharge Rate C)和放电深度(Depth of Discharge DOD)下的热特性,包括电池表面温度分布、高低温区域位置变化规律等;同时采用衡量温度数值偏差和空间分布的评价参数-温度均一性(~2_((1(6))及局部过热指数(Local Overheating Index LOH)量化分析了电池表面温度分布特点,为后续电池热管理系统的研究与设计提供了依据。(2)卷绕式锂离子电池的热惯性研究。此部分首次将热惯性概念引入圆柱形锂离子电池,利用多物理场耦合模拟软件COMSOL Multiphysics建立了电池电化学热耦合模型,通过改变放电倍率、放电深度和圆柱电池半径等条件,研究了单体电芯在放电结束后的温度分布及其变化情况,包括电池内部温度、表面温度、内外温差等变化规律。通过实验与模拟发现圆柱形锂离子电池在放电结束后具有明显的热惯性现象,由于热惯性现象的存在会极大程度影响电池放电过程中及放电结束后的热行为与热特性,可导致锂离子电池放电结束后温度过高从而产生性能劣化及热安全问题。(3)往复式通风电池热管理系统研究。此部分通过实验研究发现风冷式热管理系统中进风方向会明显改变电池温度场分布,为改善电池温度分布,减小最大温差,特结合电池热特性提出了往复式风冷电池热管理系统。对进气方向进行周期/非周期性的改变,以实现电池表面温度场的均匀分布。实验对起始换向时机、等周期、不等周期、非周期换向等方案进行了研究。结果表明往复式风冷系统较传统单向通风具有更为理想的均温效果,且通过调整换向时机可在一定程度上实现电池温度场的控制与优化。(4)翅片-均温板式电池热管理系统研究。此部分提出了一种基于自然对流的热管理方式——翅片-均温板式电池热管理系统。通过改变放电倍率、翅片厚度及材质,共设计了13组对比实验,研究了电池组在不同工况下的热特性。实验结果表明:加装翅片-均温板结构可有效抑制电池组的温升和温差。此外,研究还从热管理系统角度,对热管理效果、电池组体积和质量等因素进行了权衡分析。综合上述研究,本文对锂离子动力电池发热规律及热相关问题进行了探索,在此基础上,设计了基于电池热特性的热管理系统。为动力电池及电池热管理系统的设计与研究提供了基础理论依据及参考,对电动汽车动力电池系统关键技术的发展具有积极意义。


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