鋰離子電池組溫度場模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、鋰離子電池因其電壓高、比能量高、循環(huán)性好、無記憶效應(yīng)、無污染等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。鋰離子電池在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱，散熱不及時(shí)或不當(dāng)時(shí)，就會(huì)造成電池組局部溫度過高，溫度分布不均勻，嚴(yán)重影響電池的容量、倍率性能、使用壽命、穩(wěn)定性等性能，甚至?xí)l(fā)安全事故。所以，對鋰離子電池組的溫度場進(jìn)行熱管理，控制電池組的最高溫度，并盡可能的保持電池組各電池之間溫度的一致性，以保證電池組在安全溫度范圍內(nèi)工作。
　　本文采用有限元

2、分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，對不同排布方式的鋰離子電池組在不同倍率充放電過程中的溫度場進(jìn)行模擬和試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上，對電池組散熱方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行探討。主要研究內(nèi)容如下:
　　1.研究鋰離子電池在充放電過程中的生熱原理和傳熱機(jī)理，建立電池的導(dǎo)熱微分方程和適用于圓柱形電池的柱坐標(biāo)系熱模型。
　　2.通過對單體18650鋰離子電池進(jìn)行溫度場相關(guān)試驗(yàn)，研究不同充放電倍率下鋰離子電池不同位置的溫度變化。結(jié)果顯示，單體電

3、池中間部位的溫度最高，正極端處溫度略高于負(fù)極端處。單電池不同位置各點(diǎn)溫度隨著放電倍率增大升高，而且電池不同位置的溫度差變大。另一方面，利用ANSYS有限元軟件建立單體電池模型、劃分網(wǎng)格，進(jìn)行溫度場仿真模擬，結(jié)果表明仿真模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果一致，電池不同位置的模擬溫度與試驗(yàn)測定溫度誤差在3％以下，驗(yàn)證了本文所采用的電池仿真模型和電池?zé)釁?shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。
　　3.根據(jù)電池組的構(gòu)成和要求，將100節(jié)電池并聯(lián)組成電池組模塊，設(shè)計(jì)了并排、

4、錯(cuò)排和層疊三種不同方式對電池組進(jìn)行排布。使用ANSYS軟件分別對三種電池組在不同放電倍率下的溫度場分布進(jìn)行研究分析。仿真模擬結(jié)果表明，采用并排排布方式的電池組溫升最低，且電池組內(nèi)不同位置電池之間溫差最小。模擬結(jié)果分析認(rèn)為，電池組采用并排排布方式更優(yōu)。
　　4.為了改善電池組在高倍率放電過程中的局部溫度過高和溫度分布不均等問題，論文分別采用串行通風(fēng)和并行通風(fēng)兩種通風(fēng)方式對并排電池組進(jìn)行冷卻散熱。使用Fluent軟件分別模擬了兩種不同

5、通風(fēng)方式下電池組在不同放電倍率的溫升變化和電池組內(nèi)各部位電池之間的溫差情況。仿真模擬結(jié)果表明，并行通風(fēng)電池組溫升更低，且溫度分布更加均勻。
　　5.使用Fluent軟件對不同風(fēng)速、不同冷風(fēng)進(jìn)口溫度以及不同散熱介質(zhì)對電池組溫度場特性的影響進(jìn)一步仿真模擬分析。在低倍率放電電流下，通過提高空氣流速能夠有效改善電池組的溫升和溫度分布均勻性，滿足電池組散熱需求;在高倍率(5C)放電電流下，需要提高空氣流速的同時(shí)，降低進(jìn)口空氣溫度才可以對電池