液冷式动力锂离子电池组热特性与散热特性研究

锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、自放电率低等方面的优点成为电动汽车能源系统的首选。但电池的性能和寿命受到温度的严重影响,极端情况下还会发生热失控。锂离子电池的热问题关系到电池的性能、寿命和安全,是设计电池热管理系统的关键因素之一,因而受到了广泛关注。因此,有必要了解电池使用过程中的热行为和设计有效的热管理系统。本文围绕锂离子电池的热问题及散热结构设计展开了研究。首先,对锂离子电池进行了充放电试验研究;然后,建立了电池单体的三维多部件热模型,并进行实验验证;之后,通过实验研究了不同充放电倍率下电池组的温度分布;最后,根据电池组的热特性,设计了液冷式电池热管理系统,并对该系统进行了仿真分析及优化。(1)对锂离子电池单体进行了充放电试验测试,分析了其温升特性、电压特性和容量特性。基于充电试验结果,提出了锂离子电池充电过程温升特点的阶段划分方法,并总结了各阶段的特点。此外,使用热成像仪分析了不同放电倍率和放电深度时,电池单体的温度分布规律。在试验的基础上基于18650电池的结构特点建立了多部件电池单体热模型,并模拟了1C、2C和3C恒倍率放电工况。仿真与实验的温升和表面温度分布结果吻合较好,说明所建立的热模型可用于分析电池的热特性。(2)进行了电池组充放电试验测试,分析了电池组在不同充放电倍率下的热特性。分析了1C充电和1C放电工况下电池组和电池单体的温度特性。1C充电恒流工况下,电池单体最高温度为35℃,电池组最高温度为45℃。1C放电恒流工况下,电池单体最高温度为36.6℃,电池组的最高温度为45.7℃。充电和放电工况,电池组的最大温度比单体分别高10℃和9.1℃。电池组的最大温度比电池单体高很多,表明电池组的散热性能远劣于电池单体。针对电池组散热性能差的问题,设计了一种液冷式电池散热系统。(3)对初始液冷模型进行了仿真分析和优化。分析了不同导热板材料、冷却液类型、冷却液流速等因素对电池组温度场的影响。针对电池组温度分布不均匀的问题,提出了导热板局部加厚的优化方法,有效提高了电池组的温度均匀性。