鋰離子電池組溫度場(chǎng)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(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。鋰離子電池在充放電過(guò)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(guò)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(duì)鋰離子電池組的溫度場(chǎng)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(duì)不同排布方式的鋰離子電池組在不同倍率充放電過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬和試驗(yàn)研究。在此基礎(chǔ)上，對(duì)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?jī)?nèi)容如下:
　　1.研究鋰離子電池在充放電過(guò)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(guò)對(duì)單體18650鋰離子電池進(jìn)行溫度場(chǎng)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(chǎng)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(cè)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(duì)電池組進(jìn)行排布。使用ANSYS軟件分別對(duì)三種電池組在不同放電倍率下的溫度場(chǎng)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(guò)程中的局部溫度過(guò)高和溫度分布不均等問(wèn)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(duì)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(duì)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(duì)電池組溫度場(chǎng)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(guò)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(mǎn)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(duì)電池