【摘要】：由于全球能源短缺和環(huán)境保護的需要,電動汽車發(fā)展已經(jīng)成為國際社會公認的汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。鋰離子動力電池作為電動汽車的核心動力來源,其熱安全將直接影響到電池系統(tǒng)的可靠性,進而對電動汽車的安全性能產(chǎn)生重要影響。對鋰離子電池單體熱行為和模組熱管理優(yōu)化的研究將提升電池工作過程可靠性,進而保證電池系統(tǒng)安全性。該文基于COMSOL Multiphysics軟件,針對鋰離子動力電池單體和模組,對某一特定正常工況和熱失控工況下電池?zé)崽匦赃M行了模擬研究,并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析,驗證模型的準(zhǔn)確性。具體內(nèi)容包括以下三部分:基于電池測試試驗,對26Ah單體軟包鋰離子電池進行充放電測試,容量衰減測試和恒溫測試。其測試結(jié)果表明:電池在充放電過程中均會出現(xiàn)三個時期,中間平臺期電池電壓最為穩(wěn)定同時高倍率充放電會縮短電池處于穩(wěn)定平臺期時間;當(dāng)電池以規(guī)定方式循環(huán)充放電2500次時,其容量將降低至額定容量的80%;電池工作溫度將嚴重影響電池的放電容量,當(dāng)工作溫度為-20℃時其容量將降低30%。建立26Ah單體軟包電池?zé)崾Э啬Ｐ?對鋰離子動力電池進行針刺熱濫用觸發(fā)模擬,研究針刺觸發(fā)熱失控過程中電池內(nèi)部活性材料隨時間的變化規(guī)律和針刺半徑對電池?zé)崾Э禺a(chǎn)熱的影響,并基于針刺實驗驗證模型準(zhǔn)確性。研究發(fā)現(xiàn)在該類鋰離子動力電池?zé)釣E用過程中電池負極材料量下降50%,熱量的主要來源是內(nèi)部活性材料在高溫下分解所產(chǎn)生的熱量;針刺半徑在3mm范圍內(nèi),半徑越小針刺點內(nèi)阻越大,這將直接導(dǎo)致針刺點產(chǎn)熱率上升,繼而導(dǎo)致電池平均溫度的上升�；趩误w軟包鋰離子電池模型,考慮實驗驗證模型可行性,以18650電池模組為研究對象,建立鋰離子電池模組熱電耦合模型,分析以PCM(Phase Change Material)和石墨為填充材料下充放電倍率、液冷流量、液冷管排數(shù)對電池模組溫度的影響;使用針刺觸發(fā)電池?zé)崾Э?探究填充材料對電池模組熱失控傳播的影響;結(jié)合電池?zé)崾Э卦囼灁?shù)據(jù)驗證模型準(zhǔn)確性;基于已驗證的電池模組熱失控模型,改變電池填充材料屬性參數(shù),研究填充材料對電池?zé)崾Э芈拥挠绊?優(yōu)化電池?zé)峁芾矸桨�。研究結(jié)果表明:填充材料和管排數(shù)對電池正常模組溫升影響較大;填充材料為石墨時最佳液冷管排數(shù)為8根;PCM材料能將對熱失控傳播時間控制在46s/顆;采用質(zhì)量分數(shù)為30%的泡沫金屬作為電池填充材料將在保證電池最大安全性的同時降低電池模組溫度。本文基于針刺觸發(fā)方式建立電池單體熱失控模型并驗證,并以單體研究為基礎(chǔ)構(gòu)建以填充材料和液冷結(jié)合的新型熱管理方案,實現(xiàn)基于質(zhì)量分數(shù)為30%泡沫金屬復(fù)合材料作為電池填充材料時效果最優(yōu),在控制特定正常工況電池溫升的同時,將熱失控在模組總蔓延時間控制在63s以內(nèi)。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM912
【圖文】：

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文電樁布置也在不斷研發(fā)和試水，這將會進一步提升中國在該領(lǐng)域的競爭力。新能源汽車產(chǎn)銷數(shù)量增長迅速，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2017 年我國新能源汽車生9.4 萬輛，同比增長 53.8%，其中銷量為 77.7 萬輛，同比增長 53.3%。新能源占比為 2.7%，其保有總量已經(jīng)突破 180 萬輛。截止至 2018 年，我國新能源汽量分別為 127 萬輛和 125.6 萬輛，其中純電動汽車產(chǎn)銷分別完成 98.6 萬輛和，同比增長 47.9%和 50.8%，插電式混合動力汽車產(chǎn)銷增長幅度高于純電動汽銷分別完成 28.3 萬輛和 27.1 萬輛，同比分別增長 122%和 118%

圖 2.3 COMSOL Multiphysics 軟件設(shè)置示意圖“研究”模塊的作用是設(shè)定具體計算條件。其中模塊中包括“參數(shù)化掃描”，“”和“求解器配置”�！皡�(shù)化掃描”實現(xiàn)對不同參數(shù)條件進行掃描計算，并將制在一張圖上；“步驟”中確定計算時間和計算時間間隔，并設(shè)定網(wǎng)格信息�！啊痹O(shè)置一般按照默認設(shè)置即可。“結(jié)果”模塊中，可以基于探針數(shù)據(jù)，對電池模組，電池單體的溫度、電流、等參數(shù)變化進行繪制，也可以實現(xiàn)電池參數(shù)動態(tài)云圖的繪制。3.2 COMSOL 軟件的計算原理COMSOL 軟件的計算原理是基于經(jīng)典熱力學(xué)理論和數(shù)值計算方法，通過計算計算的方式，計算不同時間和空間領(lǐng)域熱流場分布，繼而實現(xiàn)對電池包整體溫的全域全周期模擬，其計算流程圖如圖 2.4 所示。其基本思想可以歸結(jié)為：將原

圖 3.1 充電過程中電壓隨 SOC 變化研究電池放電過程規(guī)律時，先使用恒流-恒壓充電方式將電池充滿電，其恒倍率為 1C，基于充滿電電池使用 0.1C、0.5C、1C、5C、10C 五種放電倍率其電池電壓與 DOD（depth of discharge）關(guān)系如下圖 3.2 所示。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 宋麗;魏學(xué)哲;戴海峰;孫澤昌;;鋰離子電池單體熱模型研究動態(tài)[J];汽車工程;2013年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

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1 韓學(xué)飛;鋰離子電池?zé)峁芾砑半娀瘜W(xué)—熱耦合分析[D];華東理工大學(xué);2018年

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本文編號：2794727