锂离子电池组温度场模拟与试验研究

锂离子电池因其电压高、比能量高、循环性好、无记忆效应、无污染等优点,在电动汽车领域引起了广泛关注。锂离子电池在充放电过程中会产生大量热,散热不及时或不当时,就会造成电池组局部温度过高,温度分布不均匀,严重影响电池的容量、倍率性能、使用寿命、稳定性等性能,甚至会引发安全事故。所以,对锂离子电池组的温度场进行热管理,控制电池组的最高温度,并尽可能的保持电池组各电池之间温度的一致性,以保证电池组在安全温度范围内工作。本文采用有限元分析、仿真计算和试验相结合的研究方法,对不同排布方式的锂离子电池组在不同倍率充放电过程中的温度场进行模拟和试验研究。在此基础上,对电池组散热方案的设计与优化进行探讨。主要研究内容如下:1.研究锂离子电池在充放电过程中的生热原理和传热机理,建立电池的导热微分方程和适用于圆柱形电池的柱坐标系热模型。2.通过对单体18650锂离子电池进行温度场相关试验,研究不同充放电倍率下锂离子电池不同位置的温度变化。结果显示,单体电池中间部位的温度最高,正极端处温度略高于负极端处。单电池不同位置各点温度随着放电倍率增大升高,而且电池不同位置的温度差变大。另一方面,利用ANSYS有限元软件建立单体电池模型、划分网格,进行温度场仿真模拟,结果表明仿真模拟结果和试验结果一致,电池不同位置的模拟温度与试验测定温度误差在3%以下,验证了本文所采用的电池仿真模型和电池热参数的准确性和可靠性。3.根据电池组的构成和要求,将100节电池并联组成电池组模块,设计了并排、错排和层叠三种不同方式对电池组进行排布。使用ANSYS软件分别对三种电池组在不同放电倍率下的温度场分布进行研究分析。仿真模拟结果表明,采用并排排布方式的电池组温升最低,且电池组内不同位置电池之间温差最小。模拟结果分析认为,电池组采用并排排布方式更优。4.为了改善电池组在高倍率放电过程中的局部温度过高和温度分布不均等问题,论文分别采用串行通风和并行通风两种通风方式对并排电池组进行冷却散热。使用Fluent软件分别模拟了两种不同通风方式下电池组在不同放电倍率的温升变化和电池组内各部位电池之间的温差情况。仿真模拟结果表明,并行通风电池组温升更低,且温度分布更加均匀。5.使用Fluent软件对不同风速、不同冷风进口温度以及不同散热介质对电池组温度场特性的影响进一步仿真模拟分析。在低倍率放电电流下,通过提高空气流速能够有效改善电池组的温升和温度分布均匀性,满足电池组散热需求;在高倍率(5C)放电电流下,需要提高空气流速的同时,降低进口空气温度才可以对电池组有效散热,从而满足电池安全使用温度的需求。另一方面模拟仿真研究发现,使用液体介质散热同样可以有效的保证电池组在高倍率放电过程中在安全的温度范围内进行工作。