电池热管理系统分析与应用研究

动力电池组是新能源汽车最主要的储存能量的装置,更是混合动力或电动汽车的关键部件,它的性能好坏直接决定混合动力或电动汽车的运行状况。车辆装载电池包的空间有限,电池工作中产生的热量在电池包内累积,会使电池包各处的温度分布不均匀,影响电池单体的温度一致性,从而降低电池充放电循环效率,影响电池功率和能量的发挥。严重时还可能导致热失控,影响整车的安全性和可靠性。本文选用的锂离子电池具有存储能量密度大、比功率大、循环寿命长等优点,但其对温度特别敏感,温度过高、过低都不能使它的性能充分发挥。所以,需要对电池进行热管理,将电池温度控制在合理的范围内,使电池组发挥最佳的性能和寿命。为解决锂离子电池在放电过程中温度过高以及电池组间温度不一致性,本文结合国家自然科学基金项目(No.51762034),开展复合相变材料与风冷结合的电池热管理仿真模型建立以及电池组散热控制策略制定等方面的研究。主要研究内容如下:(1)通过对锂离子电池的热特性分析,得出电池的导热系数、密度、比热容等物性参数,建立单体电池的三维生热模型,利用Fluent软件模拟仿真电池充放电过程,获得温度变化的温度云图;对单体电池进行不同倍率的放电实验,并与仿真模拟结果进行对比分析,结果表明:利用建立的电池三维生热模型模拟的结果与实际电池的发热行为具有很高的相似度。(2)在得到准确单体电池三维生热模型的基础上,设计动力电池组的三维生热模型,仿真结果显示电池组在自然风冷状态下,随着放电倍率的增加,电池组间的温度一致性越来越差。当2C倍率放电时,电池组的最高温已经超过了锂离子电池的理想工作温度区间293~318K,不能满足电动汽车实际使用中复杂工况的要求。为此,本文在尽量不消耗电池能量的理念下,提出了采用相变材料作为散热媒介的电池热管理系统。(3)正硅酸四乙酯作为二氧化硅的先驱体,加入相应比例的催化剂、分散剂,采用溶胶-凝胶法制备二氧化硅;石蜡作为相变材料,膨胀石墨为导热增强材料,用熔融共混法制备了石蜡/膨胀石墨/二氧化硅复合相变材料。分析了复合材料的热特性,对于使用复合相变材料的电池热管理系统,设计了电池模组间无间距和有间距两种散热形式。仿真结果表明:使用相变材料的电池热管理系统能很好的保证温度一致性,电池组最大温差控制在3K以内;电池模组间距4mm基本能满足4C的高倍率放电的使用工况,最高温度为318.5997K;5C倍率放电时,最高温度达到了323.8218K,存在安全隐患。因此,本文提出在高倍率放电工况下,在复合相变材料散热的基础上加入强制风冷辅助散热。(4)相变材料以潜热的形式吸收电池放电过程中产生的热量,在自然风冷状态下,相变潜热很难散去,影响电池的下一次循环使用;电池以5C的高倍率放电时,复合相变材料已经完全融化,在此情况下设计复合相变材料与风冷耦合的电池组热管理系统,模拟分析强制风冷开启时刻以及风速大小对电池组温度场分布的影响。4C倍率放电时,在电池组最高温达到316K左右时,以2m/s的风速,电池组最高温控制在317.8316K,电池组最大温差在1K左右;5C倍率放电时,风速在9m/s时才能使电池最高温以及电池组最大温差控制在理想范围内。(5)通过对复合相变材料和风冷相结合的电池热管理系统仿真结果的分析,搭建系统实验平台,实验结果与仿真结果非常接近,验证了复合相变材料与风冷耦合的电池热管理系统具有一定的工程使用价值,可供电池热管理系统的设计参考。