本文關(guān)鍵詞：動(dòng)力鋰離子電池系統(tǒng)熱管理研究

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【摘要】：對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)進(jìn)行熱管理是保證電池使用安全、延長(zhǎng)電池使用壽命和提升電池系統(tǒng)性能不可或缺的環(huán)節(jié)。隨著近年來新能源車輛跨越式的發(fā)展,鋰離子電池單體的容量與尺寸逐漸增大、電池系統(tǒng)包含的電池?cái)?shù)量逐漸增加、高功率運(yùn)行工況逐漸增多,給鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為解決大型動(dòng)力鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)中遇到的難題,本文研究工作圍繞電池建模、電池?zé)崽匦匝芯�、散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱控制策略等電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)展開。首先,針對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)各階段的不同模型需求,分別建立了鋰離子電池的機(jī)理模型、集總參數(shù)熱-電耦合等效電路模型和分布參數(shù)熱-電耦合等效電路模型;推導(dǎo)了各模型的數(shù)值解法;通過模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了各模型的精度;分析了放電過程中固相/液相鋰離子濃度、固相與液相的交換電流、極片上電勢(shì)、極片內(nèi)電流、垂直極片平面的電流和極片平面內(nèi)的溫度等電池內(nèi)部變量的分布和發(fā)展規(guī)律。其次,通過實(shí)驗(yàn)研究了電池工作溫度對(duì)電池內(nèi)阻、容量利用率、能量利用率以及容量衰退速率等特性的影響;提取了容量衰退率、能量利用率和滿載工作時(shí)間等參數(shù)作為影響熱管理系統(tǒng)溫度控制目標(biāo)的關(guān)鍵因子;提出了基于關(guān)鍵因子的熱管理系統(tǒng)溫度控制目標(biāo)優(yōu)化方法。再次,研究了不同散熱方式的結(jié)構(gòu),建立了空氣冷卻、散熱片冷卻、直接液冷和間接液冷等現(xiàn)有散熱方式的流-熱耦合模型,仿真分析了流體流速對(duì)各冷卻方式的影響,從散熱系統(tǒng)的額外增重、散熱性能和熱管理系統(tǒng)能耗等多個(gè)角度對(duì)比分析了各散熱方式的優(yōu)缺點(diǎn);提出了極耳散熱方法,搭建了電池單體極耳散熱效果測(cè)試平臺(tái),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了極耳散熱方式不僅能夠滿足大型軟包動(dòng)力鋰離子電池在高倍率持續(xù)運(yùn)行工況下的散熱需求,還能夠消除極耳連接內(nèi)阻對(duì)電池極耳附近溫度的影響并保持電池本體溫度的一致性。最后,針對(duì)一個(gè)大容量軟包動(dòng)力鋰離子電池模組提出了不同的極耳散熱方案,并通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了各方案的散熱效果;搭建了包含半導(dǎo)體制冷環(huán)節(jié)的電池模組溫度控制平臺(tái),并通過實(shí)驗(yàn)獲得了面向控制的極耳散熱電池模組的熱模型;使用該熱模型推導(dǎo)了包含電池模組工作電流前饋環(huán)節(jié)的電池溫度動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制算法;分析了采樣周期、預(yù)測(cè)時(shí)域、控制時(shí)域等動(dòng)態(tài)矩陣控制算法參數(shù)對(duì)電池模組溫度控制的影響;通過仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制具有超調(diào)小、最大制冷功率需求小等優(yōu)勢(shì),能夠較好地解決由電池模組溫度響應(yīng)速度慢而帶來的控制難題。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM912

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