车用锂离子电池热特性及液冷性能分析

随着全球化石能源日益枯竭与生态环境的严重污染,迫切需要寻找一种能够替代化石燃料的清洁能源。锂离子电池以其高比能量、高比功率及高电压平台等优点成为了替代化石燃料的首要选择。但是由于锂离子电池使用过程中频繁发生的热安全问题限制了电动汽车的发展及普及。因此,为了避免发热问题影响电池的正常使用,需要对锂离子电池的生热和散热特性进行准确分析。本文的主要研究内容如下:搭建了锂离子动力电池充放电测试平台,对一款10Ah的磷酸铁锂锂离子电池进行了不同倍率(1C、2C、3C)和不同环境温度(-10℃、5℃、20℃、35℃、50℃)的放电试验,分析了温度及放电倍率对电池温升及容量的影响。针对试验使用的磷酸铁锂锂离子电池,在COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件中搭建了全三维电化学-热耦合模型,分析了锂离子电池工作过程中的电极电位分布、电流密度分布和温度场分布特性。结果表明,通过建立的全三维电化学-热耦合模型可以得到电池局部电位分布和电流密度分布等传统实验方法难以获得的结果;在锂离子电池恒流放电过程中,单电极对内部存在明显的温度梯度,特别是在极耳和极板的过渡区,电池温度梯度变化最大;放电过程中电池不同位置的温升速率并不相同,放电前期,极耳区域温升速率最大,远离极耳的电池底部区域温升速率相对较小,但是,放电后期有增大趋势。通过全三维电化学-热耦合模型获取了单体锂离子电池的平均生热速率,并将获取的单体生热速率代入电池模组中,研究了放电过程中电池模组的温度场变化。结果表明,随着充放电倍率的增大,电池组的最大温升及温差不断上升,2C放电结束时锂离子电池组最高温度为324K,上升了26K,且电池组内部温差达到了5K。根据锂离子电池的各向导热特性,设计了锂离子电池组的侧向冷却方式,并分析了不同充放电倍率、不同冷却管道形状、不同冷却液体流速及位置等因素对锂离子电池组温度场的影响。结果表明,锂离子电池模组的最高温度随着冷却流速的增加明显降低,但是当冷却流速大于0.1m/s时,继续增大冷却液体入口速度对电池组温升影响较小;通过1C和2C电池组的温度变化表明,方形流道冷却方式比等横截面积的圆形流道冷却方式冷却效果好,且方形流道的冷却效果在大倍率下更明显。