锂电池的生热特性及基于相变材料的锂电池组热控制研究

锂电池作为电动汽车的核心之一,其性能与安全性直接影响电动汽车的行驶。锂电池的工作性能受温度影响较大,同时在工作中产生大量的热量使得自身温度升高,因此掌握锂电池的热管理成为学者们研究的重点课题。在锂电池热管理系统中,相变冷却方式较其他冷却方式,具有相变潜热大,散热效率高,不需要额外消耗泵功等优势使其受到学者们的重点关注。本文首先通过搭建锂电池充放电实验平台,探究了环境温度对电池容量、内阻及开路电压温度系数的影响。利用Bernardi生热速率公式建立了锂电池生热模型,通过实验验证了所建单体电池模型的准确性。研究表明:电池的实际容量与充放电倍率、环境温度有关。高倍率充放电下电池的实际容量小于额定容量;相比于高温环境,锂电池的容量受低温影响更大。锂电池的欧姆内阻与极化内阻受环境温度与荷电状态SOC的影响,低温环境与低SOC下都会使得欧姆内阻与极化内阻升高。开路电压温度系数随SOC的变化有正有负,放电初始、末尾阶段开路电压温度系数为负,其余阶段开路电压温度系数为正。其次通过向石蜡中添加碳纳米管制备了不同质量分数的石蜡/碳纳米管复合相变材料,提高了相变材料的导热系数。建立了相变材料(PCM)耦合单体锂电池的散热模型并用焓法进行求解。分析了充电-放电过程中PCM厚度、PCM导热系数以及外界风冷对锂电池温升的影响。研究表明:在完整的充电-放电过程中,前一阶段热量的积累对锂电池的温升有较大影响,温升明显高于单一的放电过程,只考虑在单一放电过程中PCM的用量无法有效控制锂电池在充电-放电过程中的温升;随着PCM厚度的增加锂电池温升与PCM液化率降低,当外界环境与PCM换热越剧烈时,锂电池的温升对PCM导热系数变化越敏感,此时PCM导热系数越大,锂电池温升的降低越显著。最后采用数值模拟的方法对基于相变材料的锂电池组散热性能影响规律进行了分析与优化。探究了单体电池之间的间隙、PCM潜热、PCM导热系数、电池排布方式对锂电池组散热的影响。研究表明:单体之间的间隙过小不利于锂电池组的温度控制,过大会使得电池组能量密度降低;PCM的导热系数与潜热升高,锂电池组的最高温度与最大温差降低,过高的导热系数与潜热造成降温效果不明显;错排布置锂电池无法有效提升锂电池模块的散热性能,在顺排布置锂电池中,对锂电池进行等差排列有利于提高锂电池组的均温性能。