發(fā)布時間：2020-12-17 04:01

　　鋰離子電池作為純電動汽車的動力源,對于當(dāng)下能源緊缺和環(huán)境污染問題的解決具有重要意義。但是,由于鋰離子電池工作過程中會產(chǎn)生并積聚大量的熱量,如果長期散熱不良,容易導(dǎo)致電池性能下降和壽命衰減,甚至?xí)l(fā)燃燒、爆炸等一系列安全問題,因此,為了保證純電動汽車經(jīng)濟(jì)、高效、安全的運(yùn)行,對于鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究顯得尤為重要。本文以項(xiàng)目合作單位生產(chǎn)的軟包三元鋰離子電池作為研究對象,采用理論分析與計算、數(shù)值模擬、試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對鋰離子電池模組液冷散熱進(jìn)行了優(yōu)化研究。本文的主要研究內(nèi)容與成果如下:（1）基于熱力學(xué)和傳熱學(xué)知識,總結(jié)并簡化了鋰離子電池的生熱量表達(dá)式,確定了鋰離子電池的主要傳熱方式以及對應(yīng)的導(dǎo)熱和對流換熱公式。（2）進(jìn)行了不同放電倍率下的單體鋰離子電池溫升試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:放電過程中單體電池的高溫區(qū)為電池體中部及正極附近區(qū)域,負(fù)極區(qū)域溫度最低;電池溫升速率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢;放電倍率越高,電池的最高溫度和最大溫差越大。（3）通過試驗(yàn)測量得到單體鋰離子電池的放電內(nèi)阻與熵?zé)嵯禂?shù),并結(jié)合Bernadi提出的電池生熱模型,獲取了電池在環(huán)境溫度分別為0℃、25℃、40℃,放電倍率分別為0... 

【文章來源】： 陳坤 吉林大學(xué)

【文章頁數(shù)】：118 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

2019年5月3日美國舊金山特斯拉Model S自燃起火

圖1.1 2019年5月3日美國舊金山特斯拉Model S自燃起火B(yǎng)ernardi[8]等將能量守恒原理應(yīng)用到電池?zé)崞胶獾难芯恐?充分考慮了電功率、電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的可逆熱和熵?zé)�、材料相變等因�?提出了經(jīng)典的生熱方程,該方程從提出至今被廣泛應(yīng)用于電池溫度和生熱速率的預(yù)測。Thomas和Newman[9]基于Bernardi產(chǎn)熱模型,修正了鋰離子電池開路電壓的預(yù)測誤差,并進(jìn)一步考慮了多孔電極內(nèi)的物質(zhì)混合效應(yīng),提高了模型精確度。陳英杰[10]等將Bernardi產(chǎn)熱模型進(jìn)行簡化,通過一組多環(huán)境溫度下的恒電流試驗(yàn)和基于電池機(jī)理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程解決了參數(shù)的非線性特性,該方法可以快速、精確的對鋰離子電池關(guān)鍵熱特性參數(shù)進(jìn)行估計。Gi-Heon Kim[11]等提出了解決熱失控行為的三維模型,考慮了鋰離子電池的形狀、尺寸和電池材料的空間分布,仿真計算結(jié)果表明尺寸較小的電池比較大的電池吸收熱量更快,并用三維熱成像圖展示了電池?zé)釘U(kuò)散的多維狀態(tài)。Ashkan[12]等建立了鋰離子電池的物理模型,并仿真分析了其不同工作負(fù)荷下的生熱特性,然后以試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真預(yù)測電池發(fā)熱情況的準(zhǔn)確性。Marie-Therese von Srbik[13]等建立了基于二維電化學(xué)模型的鋰離子電池等效電路模型,此模型可以解釋電池工作過程中內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)和生熱規(guī)律的變化,并在此基礎(chǔ)上引入電池生熱與老化模型,搭建了可以估計電池老化程度的電化學(xué)-熱耦合模型。李光遠(yuǎn)[14]分析了鋰離子電池的生熱原理和熱交換原理,并基于此搭建了基于Bernardi方程和牛頓冷卻原理的電池質(zhì)量熱模型,引入符合Arrhenius經(jīng)驗(yàn)公式的電池內(nèi)部參數(shù)變化,搭建了鋰離子電池電化學(xué)-熱耦合模型,并從端電壓和溫度兩方面驗(yàn)證了模型的精確性。

在科研領(lǐng)域,目前對于采用空氣冷卻系統(tǒng)進(jìn)行電池?zé)峁芾淼难芯恐饕性陲L(fēng)道結(jié)構(gòu)的設(shè)計、電池系統(tǒng)的布局以及送風(fēng)參數(shù)的調(diào)控等方面[16-18]。Liwu Fan[19]等對插電式混合動力汽車鋰離子電池模塊的風(fēng)冷式熱管理系統(tǒng)展開了研究,通過建立風(fēng)冷模型并進(jìn)行模擬計算,發(fā)現(xiàn)減小電池之間的空氣間隙間距、增大空氣流動速度可以降低電池模組的最高溫度,降低溫升。Mao Li[20]等建立并優(yōu)化了鋰離子電池模組的空氣熱管理系統(tǒng),通過試驗(yàn)研究冷卻空氣的質(zhì)量流量、電池對冷卻空氣的熱流率以及空氣通道間距大小對電池?zé)嵝阅艿挠绊?結(jié)果表明增加空氣的總質(zhì)量流量可使通道間的空氣流量分布更加均勻,較大的通道間距尺寸會使電池壁面上的溫度均勻性惡化,通過對通道間距優(yōu)化,使電池間的最大溫差由25.7 K降至6.4 K,減小了75.1%。Zhongming Liu[21]等將空氣流動阻力模型和瞬態(tài)熱傳遞模型相結(jié)合,通過快速預(yù)測的方法,給出了電池模組導(dǎo)流板傾角、最小寬度以及電池間距對空氣非均勻分布和電池模組溫度場分布的影響,并通過參數(shù)調(diào)整提高了電池的溫度均勻性。常國峰[22]等利用均勻送風(fēng)理論,對鎳氫動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中空氣流速的均勻性進(jìn)行了研究,通過改變空氣流量和風(fēng)道開孔等結(jié)構(gòu)參數(shù),提高了動力蓄電池的可靠性和耐久性。陳凱[23]等將遺傳算法應(yīng)用到風(fēng)冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中,采用流阻網(wǎng)格模型與遺傳算法相結(jié)合的方法,優(yōu)化空氣進(jìn)出口導(dǎo)流板角度,使得系統(tǒng)冷卻流道內(nèi)空氣速度均勻化,仿真發(fā)現(xiàn)此優(yōu)化模型可以使電池模組的最高溫度和最大溫差均減小。1.2.3 液體冷卻系統(tǒng)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]動力電池?zé)崽匦苑治黾袄鋮s系統(tǒng)優(yōu)化[D]. 賈春輝.吉林大學(xué) 2019
[2]面向SOC估計的鋰離子電池電化學(xué)—熱耦合建模[D]. 李光遠(yuǎn).吉林大學(xué) 2018
[3]純電動汽車鋰離子電池組液冷散熱系統(tǒng)研究[D]. 楊洋.華南理工大學(xué) 2018
[4]純電動汽車電池箱熱特性研究及熱管理系統(tǒng)開發(fā)[D]. 沈帥.吉林大學(xué) 2013
[5]基于相變材料的鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究[D]. 曹建華.清華大學(xué) 2013
[6]高穩(wěn)定性恒溫控制平臺的設(shè)計與制作[D]. 吳戈.吉林大學(xué) 2006



本文編號：2921373