锂离子电池热管理及电化学—热耦合分析

随着全球能源短缺、环境污染和温室效应等环境问题日益突出,研发无污染、低能耗的电动汽车已经成为世界各国汽车工业未来新的发展方向。锂离子电池由于具有无污染、单体电压高、能量密度高、无记忆效应及循环寿命长等优点而被广泛地用作电动汽车用动力电池。动力电池组的热安全问题一直是制约动力电池发展的关键问题。开发实时高效热管理系统,保障电池组温度处于最佳工作温度区间(25℃～40℃)和单体间的最大温差不超过5℃,对于动力电池组性能的保障具有重要意义。考虑到电动汽车成本和空间紧凑性的要求,空冷散热系统一直是电池组散热系统的首选。另外电池组是由大量电池单体通过串并联构成,单体的放电及发热特性直接影响电池组的放电及发热特性。围绕锂离子电池的热安全问题,本文主要内容分别从电池组并行风冷热管理系统和电池单体两个方面依次展开:本文第一部分针对一组包含40个圆柱形锂离子电池单体的并行风冷热管理系统冷却效果进行了研究,考察了 3C放电倍率下,电池组最高温度Tmax及单体间最大温差△T与来流速度及温度的关系。结果显示:电池组最高温度Tmax随来流速度的增大而减小,并与来流温度成线性相关;单体间最大温差AT随来流速度的增加而减小,与来流温度无关。此外,本文从单体间距S、偏移角θ和楔形风道角ω三个方面,对典型并行风冷几何模型进行结构改进,得到了一个温度场分布更加均匀合理,空间更加紧凑的几何模型。本文第二部分基于锂离子电池充放电原理,建立了电化学-热耦合数值模型,选取圆柱形磷酸铁锂26650电池单体为研究对象,考察了放电倍率、环境温度和对流换热系数对其放电性能、发热性能的影响,结果显示:增大放电倍率,电池单体放电电压和放电深度均减小,且在相同放电倍率下,单体温升近似线性增长;增大环境温度,单体放电电压和放电深度均增加,单体的温升随着环境温度的增加近似线性下降;低温环境下,单体的放电电压和放电深度随着换热系数的增大逐渐减小,而在高温的环境下,改变对流换热系数,单体的电压和放电深度基本不变,另外无论在低温环境还是高温环境下,随着换热系数的增大电池单体的温升都减小。