锂离子电池组温度控制的数值研究

电动汽车由于具有能量利用效率高、污染排放少的优势，成为未来汽车发展的主流方向之一。电动汽车蓄电池堆充放电性能的进一步提升与改善是目前电动汽车发展中亟待解决的问题。 锂离子电池技术的飞速迅猛发展为电动车提供了广阔的发展空间，但锂离子电池的性能对温度变化较敏感，高容量、大功率的电池堆尤为明显。研究数据表明，锂离子电池堆的最佳工作温度为20℃至60℃，且电池堆内的最大温差不应超过6℃。若在理想的温度条件下工作，电池堆的寿命会得到有效的延长，性能亦将得到充分发挥。因此，应对电动车用锂离子电池堆的温度采取有效控制。 本文从对锂离子电池单体的二维和三维温度模拟入手，分析了放电电流和对流换热系数对其内部温度分布的影响。结果表明，增大放电电流及降低对流换热系数可使电池单体的温度迅速升高，容易发生热失控。二维模型中，当电池单体的放电电流为10A，电池壁面与环境间的对流换热系数为0W/m2·K时，放电结束后，电池内的最高温度达77.75℃。 在电池单体温度模拟基础上，本文进行了水冷却和空气冷却的模拟工作。运用三维数值模拟的方法，对水冷却及空气冷却下，电池组在不同放电环境中的温度分布展开模拟。以电池组内的最高温度和最大温差为评价标准，水冷却的控温效果要优于空气冷却的控温效果，但均不理想。 我们提出了一种新型的冷却方案—由泡沫金属铝和煤油组成的复合材料作为温度缓冲介质，对电池组实施温度监控。文中运用三维数值模拟的方法对复合材料冷却、水冷却及空气冷却下，电池组在不同放电环境中的温度分布进行了模拟，并对三种冷却方式的冷却效果进行了比较。结果表明，即使在大电流放电状态下，复合材料亦能很理想的控制电池组内的最高温度和最大温差于适宜的范围内。当电池组中的电池单体以10A的电流放电至结束时，复合材料能够将电池组内的最高温度始终维持在65℃之下，而此时水冷却下电池组内的最高温度已经接近70℃，空气冷却下电池组内的最高温度甚至已高达80℃。复合材料冷却介质对电池组内最大温差亦有极好的控制效果。当电池组中的电池单体以5A的电流放电至结束，电池组内的最大温差可以稳定在0.29℃—0.35℃，即使电池单体以10A的电流进行放电，电池区域的温度差别也被控制在1.2℃—1.3℃，这都要明显的优于传统的水冷却和空气冷却的控温效果。