【摘要】：石油危機(jī)和環(huán)境問題加速了新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,傳統(tǒng)燃油汽車逐漸被電動(dòng)新能源汽車替代。電源技術(shù)是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素,而鋰離子電池因其高電壓平臺(tái)、高能量密度、低自放電率、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)良性能被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車。鋰離子電池內(nèi)部反應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的多物理場耦合過程,主要包括電化學(xué)反應(yīng)、溫度變化和應(yīng)力狀態(tài)的轉(zhuǎn)變,因此建立一個(gè)鋰離子電池?zé)?力-化多物理場耦合模型對(duì)于研究鋰離子電池是一個(gè)極為關(guān)鍵的科學(xué)問題。溫度是影響鋰離子電池正常工作的主要因素,為了保證電池時(shí)刻處于安全的溫度范圍,需要通過電池組熱管理系統(tǒng)(BTMS)對(duì)電池組進(jìn)行溫度控制。基于鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型建立的電池組熱管理系統(tǒng),可以準(zhǔn)確描述電池組在服役過程中的溫度變化。因此,本論文基于電化學(xué)-熱耦合模型分別討論了相變儲(chǔ)熱、風(fēng)冷散熱和液冷散熱在電池組熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用,并結(jié)合三種方式建立了復(fù)合熱管理系統(tǒng)。本文主要研究工作包括以下幾個(gè)方面:(1)建立了鋰離子電池?zé)?力-化耦合模型,并通過COMSOL Multiphysics有限元軟件模擬了二維螺旋卷繞鋰離子電池在放電過程中的電化學(xué)場、溫度場和應(yīng)力場的演化。通過電化學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)電池因卷繞結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)邊緣效應(yīng),電極層最外層和最內(nèi)層反應(yīng)不完全,造成電極材料浪費(fèi);熱源分析表明高倍率和低溫環(huán)境下歐姆熱所占比率增大,低溫下電化學(xué)反應(yīng)不完全,電池容量下降;應(yīng)力場分析確定了電極在放電過程中呈現(xiàn)壓應(yīng)力狀態(tài),靠近隔膜的電極部分最先出現(xiàn)應(yīng)力最大值和應(yīng)力釋放狀態(tài)。(2)利用鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型,建立了基于相變材料的電池組熱管理模型,分別討論了相變材料厚度、相變材料型號(hào)、導(dǎo)熱系數(shù)和環(huán)境溫度對(duì)于熱管理系統(tǒng)散熱效率的影響。同時(shí),增加液冷管對(duì)于降低電池組最大溫度有較好改善。中心電池由于熱量積累,溫度較高應(yīng)給予更好的散熱條件。(3)基于鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型,結(jié)合流體動(dòng)力學(xué),對(duì)于二維強(qiáng)制空冷散熱和液冷散熱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明,增加電池組傾斜角,增加出風(fēng)口數(shù)量以及包覆電池保溫層均有利于提高風(fēng)冷散熱效率;降低液流初始溫度,選擇高粘度系數(shù)的介質(zhì)以及增加輔助散熱銅板可改善液冷散熱效果。綜合風(fēng)冷散熱、相變材料儲(chǔ)熱和液冷散熱的優(yōu)點(diǎn),建立了綜合的散熱系統(tǒng)。電池組溫度相較于原始電池組下降了5 K,同時(shí)將電池組最大溫差控制在了3 K以內(nèi)。
【圖文】：

溫度超過 80 ℃后電池會(huì)發(fā)生熱逃逸，甚至導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)等的發(fā)生[15-17]。同時(shí)低溫下，電池的電化學(xué)反應(yīng)遭受到阻滯，電池容量大大下降，充電時(shí)的高倍率和低溫，電池會(huì)發(fā)生鍍鋰現(xiàn)象，電池甚至?xí)耆18]。近年來，電動(dòng)汽車事故發(fā)生頻繁，并且在過去幾年中顯示出增長的趨勢。2008 年 6 月，美國一輛改裝普銳斯的鋰離子電池組在高速公路行駛時(shí)起火，螺栓附近連接松動(dòng)導(dǎo)致電池過熱發(fā)生爆炸。2013 年 10 月，西雅圖美國兩輛特斯拉 S 型車在高速公路上碾過大型金屬物體并起火。電池組被金屬物體擊穿并變形，發(fā)生短路，電池燃燒。溫度的影響嚴(yán)重限制了鋰離子電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域發(fā)展，因此對(duì)電池進(jìn)行有效的溫度管理成為了十分具有現(xiàn)實(shí)意義的獨(dú)立科學(xué)問題。對(duì)電池進(jìn)行溫度管理，主要目的是高溫時(shí)，防止電池溫度過高；低溫時(shí)，使用外加設(shè)備對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱，防止電池因?yàn)榈蜏爻霈F(xiàn)容量損耗[19]。電池組單體電池之間溫度差異導(dǎo)致電池充放電狀態(tài)不一致[20]，，放電狀態(tài)不一致會(huì)造成嚴(yán)重的容量浪費(fèi)，因此保證電池組間溫度均衡也是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的目標(biāo)之一[21]。目前，研究工作者普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)是，為保證電池高效率工作和安全運(yùn)行，電池組的最高溫度應(yīng)低于 45 °C，最大溫差應(yīng)在 5 °C 以內(nèi)[5, 22]。(a) (b)

1.2 鋰離子電池綜述1.2.1 鋰離子電池的類型鋰離子電池根據(jù)電池外形和結(jié)構(gòu)可以分為圓柱形卷繞式電池、方形卷繞式電池、紐扣電池和薄膜電池[23, 24]，如圖 1.2 所示。圓柱形電池和方型電池均為電極層卷繞封裝而成[25, 26]，制作工藝簡單，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)，電池容量相較于其他兩種電池較大，電池外殼一般為金屬材料。常見的圓柱形鋰離子有 18650 型鋰電池和 24450 型鋰電池。方形電池常應(yīng)用于手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等日常生活領(lǐng)域，型號(hào)并不統(tǒng)一。圓柱型鋰離子電池的型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)比較統(tǒng)一，目前在電動(dòng)汽車領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用，特斯拉與比亞迪出產(chǎn)的電動(dòng)汽車電池組的電池均為圓柱形結(jié)構(gòu)[5]。紐扣電池因結(jié)構(gòu)簡單，制作簡單，且容易測試，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究。薄膜電池則應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域等許多特定場景。
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM912

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本文編號(hào)：2604879