锂离子动力电池单体热行为及模组热管理优化研究

由于全球能源短缺和环境保护的需要,电动汽车发展已经成为国际社会公认的汽车产业发展趋势。锂离子动力电池作为电动汽车的核心动力来源,其热安全将直接影响到电池系统的可靠性,进而对电动汽车的安全性能产生重要影响。对锂离子电池单体热行为和模组热管理优化的研究将提升电池工作过程可靠性,进而保证电池系统安全性。该文基于COMSOL Multiphysics软件,针对锂离子动力电池单体和模组,对某一特定正常工况和热失控工况下电池热特性进行了模拟研究,并结合实验数据分析,验证模型的准确性。具体内容包括以下三部分:基于电池测试试验,对26Ah单体软包锂离子电池进行充放电测试,容量衰减测试和恒温测试。其测试结果表明:电池在充放电过程中均会出现三个时期,中间平台期电池电压最为稳定同时高倍率充放电会缩短电池处于稳定平台期时间;当电池以规定方式循环充放电2500次时,其容量将降低至额定容量的80%;电池工作温度将严重影响电池的放电容量,当工作温度为-20℃时其容量将降低30%。建立26Ah单体软包电池热失控模型,对锂离子动力电池进行针刺热滥用触发模拟,研究针刺触发热失控过程中电池内部活性材料随时间的变化规律和针刺半径对电池热失控产热的影响,并基于针刺实验验证模型准确性。研究发现在该类锂离子动力电池热滥用过程中电池负极材料量下降50%,热量的主要来源是内部活性材料在高温下分解所产生的热量;针刺半径在3mm范围内,半径越小针刺点内阻越大,这将直接导致针刺点产热率上升,继而导致电池平均温度的上升。基于单体软包锂离子电池模型,考虑实验验证模型可行性,以18650电池模组为研究对象,建立锂离子电池模组热电耦合模型,分析以PCM(Phase Change Material)和石墨为填充材料下充放电倍率、液冷流量、液冷管排数对电池模组温度的影响;使用针刺触发电池热失控,探究填充材料对电池模组热失控传播的影响;结合电池热失控试验数据验证模型准确性;基于已验证的电池模组热失控模型,改变电池填充材料属性参数,研究填充材料对电池热失控蔓延的影响,优化电池热管理方案。研究结果表明:填充材料和管排数对电池正常模组温升影响较大;填充材料为石墨时最佳液冷管排数为8根;PCM材料能将对热失控传播时间控制在46s/颗;采用质量分数为30%的泡沫金属作为电池填充材料将在保证电池最大安全性的同时降低电池模组温度。本文基于针刺触发方式建立电池单体热失控模型并验证,并以单体研究为基础构建以填充材料和液冷结合的新型热管理方案,实现基于质量分数为30%泡沫金属复合材料作为电池填充材料时效果最优,在控制特定正常工况电池温升的同时,将热失控在模组总蔓延时间控制在63s以内。