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动力电池热行为及其过热性分析

薛宁  
【摘要】:动力电池作为电动汽车的核心技术,其动力性与经济性的改善和提升一直都是研究重点,但是受冷却结构、材料以及布置空间与使用条件的限制,容易导致电池在工作中产热累积而引发热安全问题,显然,这已成为了限制动力电池可持续发展的技术瓶颈。因此,亟需开展关于动力电池在不同工况条件下的热力学—电化学特性行为的研究,从本质上了解和掌握电池的工作性能,有助于分析和预测电池的热行为,并为电池热管理设计与相关控制策略提供合理可靠的参考依据。本文分析了锂离子单体电池在正常放电条件下、内部短路以及高温环境下三种不同机制工况条件下的产热特性和荷电特性。首先基于电池电化学机理,建立了片状锂离子电池单体的物理模型,分析了电池温度场、内部电流分布、电化学热以及焦耳热的变化机理,建立了更加系统全面的锂电池仿真分析。锂电池单体正常放电条件下的仿真结果表明:在绝热环境下,电池放电倍率直接影响电池单体的平均温升速率和温匀性。随着放电倍率的增大,电池温升速率增加,温度均匀性变差。在绝热环境下,电池初始温度直接影响电池单体的温均性,初始温度越低,电池单体的温均性越差,当初始温度较高时,电池平均温升速率增加,电池工作温度很快超出合理的工作范围。荷电状态的不同也会影响电池平均温度的变化,荷电量较少的电池,其温度升高速率越快。通过分析与总结诸如短路深度、短路位置、短路截面积以及荷电状态等不同因素对锂离子电池单体工作特性的影响规律,得出如下结论:随着短路深度的增加以及短路截面积的增大,短路区域的最高温度以及最大电流会随之增大。相比于电池中心部位发生内部短路,当电池边缘区域发生内部短路时,短路区域的最高温度显著增加。另外,当电池发生内部短路时,随着电池的荷电量增加,电池短路区域最高温度随之升高。在内部短路发生过程中,放电倍率对电池短路区域最高温度影响作用较小。最后,本文建立了电池置于高温环境下的热滥用模型,分析了温度变化和表面对流传热系数变化对电池单体特性的影响。仿真结果表明:当电池在较低的环境温度下工作时,电池单体仅体现出温升特性,并不会触发电池内部各材料的分解副反应;当环境温度到达某一个高温点时,电池会出现急剧的温升现象,即触发了电池内部材料分解的热失控副反应;随着环境温度的升高,电池内部材料分解的热失控副反应的触发时间点会提前。另外,在高温环境下,电池表面等效传热系数较低时有利于抑制电池热失控反应的发生;而较高的电池表面等效传热系数,会使电池热失控状态提前触发。


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