锂离子电池热-力-化耦合模型及电池组热管理系统研究

发布时间：2020-03-28 20:29

【摘要】：石油危机和环境问题加速了新能源产业的发展,传统燃油汽车逐渐被电动新能源汽车替代。电源技术是电动汽车发展的关键因素,而锂离子电池因其高电压平台、高能量密度、低自放电率、绿色环保等诸多优良性能被广泛应用于电动汽车。锂离子电池内部反应是一个非常复杂的多物理场耦合过程,主要包括电化学反应、温度变化和应力状态的转变,因此建立一个锂离子电池热-力-化多物理场耦合模型对于研究锂离子电池是一个极为关键的科学问题。温度是影响锂离子电池正常工作的主要因素,为了保证电池时刻处于安全的温度范围,需要通过电池组热管理系统(BTMS)对电池组进行温度控制。基于锂离子电池电化学-热耦合模型建立的电池组热管理系统,可以准确描述电池组在服役过程中的温度变化。因此,本论文基于电化学-热耦合模型分别讨论了相变储热、风冷散热和液冷散热在电池组热管理系统中的应用,并结合三种方式建立了复合热管理系统。本文主要研究工作包括以下几个方面:(1)建立了锂离子电池热-力-化耦合模型,并通过COMSOL Multiphysics有限元软件模拟了二维螺旋卷绕锂离子电池在放电过程中的电化学场、温度场和应力场的演化。通过电化学分析,发现电池因卷绕结构会出现边缘效应,电极层最外层和最内层反应不完全,造成电极材料浪费;热源分析表明高倍率和低温环境下欧姆热所占比率增大,低温下电化学反应不完全,电池容量下降;应力场分析确定了电极在放电过程中呈现压应力状态,靠近隔膜的电极部分最先出现应力最大值和应力释放状态。(2)利用锂离子电池电化学-热耦合模型,建立了基于相变材料的电池组热管理模型,分别讨论了相变材料厚度、相变材料型号、导热系数和环境温度对于热管理系统散热效率的影响。同时,增加液冷管对于降低电池组最大温度有较好改善。中心电池由于热量积累,温度较高应给予更好的散热条件。(3)基于锂离子电池电化学-热耦合模型,结合流体动力学,对于二维强制空冷散热和液冷散热进行了结构优化。结果表明,增加电池组倾斜角,增加出风口数量以及包覆电池保温层均有利于提高风冷散热效率;降低液流初始温度,选择高粘度系数的介质以及增加辅助散热铜板可改善液冷散热效果。综合风冷散热、相变材料储热和液冷散热的优点,建立了综合的散热系统。电池组温度相较于原始电池组下降了5 K,同时将电池组最大温差控制在了3 K以内。
【图文】：

示意图,电池组,特斯拉,电池

温度超过 80 ℃后电池会发生热逃逸，甚至导致爆炸和火灾等的发生[15-17]。同时低温下，电池的电化学反应遭受到阻滞，电池容量大大下降，充电时的高倍率和低温，电池会发生镀锂现象，电池甚至会完全失效[18]。近年来，电动汽车事故发生频繁，并且在过去几年中显示出增长的趋势。2008 年 6 月，美国一辆改装普锐斯的锂离子电池组在高速公路行驶时起火，螺栓附近连接松动导致电池过热发生爆炸。2013 年 10 月，西雅图美国两辆特斯拉 S 型车在高速公路上碾过大型金属物体并起火。电池组被金属物体击穿并变形，发生短路，电池燃烧。温度的影响严重限制了锂离子电池在电动汽车领域发展，因此对电池进行有效的温度管理成为了十分具有现实意义的独立科学问题。对电池进行温度管理，主要目的是高温时，防止电池温度过高；低温时，使用外加设备对电池进行预加热，防止电池因为低温出现容量损耗[19]。电池组单体电池之间温度差异导致电池充放电状态不一致[20]，放电状态不一致会造成严重的容量浪费，因此保证电池组间温度均衡也是电池热管理系统的目标之一[21]。目前，研究工作者普遍认同的观点是，为保证电池高效率工作和安全运行，电池组的最高温度应低于 45 °C，，最大温差应在 5 °C 以内[5, 22]。(a) (b)

电池,方型电池,薄膜电池,圆柱型

1.2 锂离子电池综述1.2.1 锂离子电池的类型锂离子电池根据电池外形和结构可以分为圆柱形卷绕式电池、方形卷绕式电池、纽扣电池和薄膜电池[23, 24]，如图 1.2 所示。圆柱形电池和方型电池均为电极层卷绕封装而成[25, 26]，制作工艺简单，已经实现标准化量产，电池容量相较于其他两种电池较大，电池外壳一般为金属材料。常见的圆柱形锂离子有 18650 型锂电池和 24450 型锂电池。方形电池常应用于手机和数码相机等日常生活领域，型号并不统一。圆柱型锂离子电池的型号标准比较统一，目前在电动汽车领域有着更广泛的应用，特斯拉与比亚迪出产的电动汽车电池组的电池均为圆柱形结构[5]。纽扣电池因结构简单，制作简单，且容易测试，广泛应用于科学研究。薄膜电池则应用于航天航空领域等许多特定场景。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912

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