基于柔性通道内流动沸腾换热的圆柱形锂电池热管理研究

发布时间：2020-07-19 11:19

【摘要】：伴随着电动车销量大增,动力电池行业进入爆发式发展期。锂电池由于其出色的结构稳定性、安全性以及较长的使用寿命,在动力系统领域被广泛使用。温度是影响锂电池性能和寿命的至关重要的因素。本文围绕圆柱形磷酸铁锂电池的电池热管理进行了详细研究。电池热管理包括外部冷却和内部冷却两方面。在充放电过程中电极是主要产热源,因此优化电极的设计是降低电池产热的关键因素。通过建立伪二维电化学-热耦合模型,研究了正负电极颗粒尺寸和温度依赖性参数对电池产热的影响。研究了电池在恒流放电过程中的产热速率,以及正极、隔膜和负极各部分的产热速率和所占比例。结果说明,总产热功率随反应热的波动而变化,其中正极电极层中反应热占比最大,负极电极层中极化产热所占比例高于正极,而隔膜中的产热主要来源自欧姆热。不同对流换热系数条件下,电池的表面温度和内部温度差都不同,因此要合理的采取电池热管理措施。为了更好地研究锂电池内部在放电过程中的电化学特性,在考虑圆柱形电池卷绕堆叠导致的边缘效应的基础上建立二维电化学-热耦合模型。结果表明,柔性金属微通道的热管理方式能够有效疏散电池放电过程产生的热量。为了探究基于柔性非金属管内流动换热的冷却效果，建立了电池热管理实验系统,以制冷剂R141b为实验工质,开展了对电池模块内包括管道材料、单体电池和电池组的温度特性的研究。分析了该系统下,管内换热方式、接触热阻以及接触面积对冷却效果的影响。最后通过肋壁换热的计算,得出不同冷却方式下电池的表面换热系数。为了探究高导热系数的通道对电池冷却效果的影响,设计了柔性矩形扁平微通道的铝合金板作为流通通道的实验研究。该结构改善了柔性非金属微通道的接触不良和导热热阻较大的问题。另外,与电池的接触面积可以通过增加冷板面积或改变接触圆心角来实现。电池与柔性金属微通道之间的换热增强,当入口质量流速在一定范围内,可实现微通道内流动沸腾换热,达到更好的冷却效果。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U469.72;TM912
【图文】：

着火事故,特斯拉,行驶中

１邋引ｇ逡逑２０１８年１０月２１日，我国一年发生的电动车起火时间己表１－２邋２０１８年新能源汽车自燃事故不完全统计表逡逑ｍｐｌｅｔｅ邋Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ邋ｏｆ邋Ｎｅｗ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｖｅｈｉｃｌｅ邋Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ邋Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ邋Ａｃｃｉ逦自燃时间逦自燃原因逦自燃地点逦２０１８年１月逦车辆停止状态自然逦重庆逦２０１８年５月逦充电自燃逦－－源逦２０１８年５月逦充电自燃逦浙江源逦２０１８年５月逦行驶中自燃逦湖北逦２０１８年５月逦充电自燃逦深圳逦源逦２０１８年６月逦行驶中自燃逦山东源逦２０１８年６月逦飞线充电自燃逦北京２０１８年８月逦浸水自燃逦广州２０１８年８月逦试装车操作不当逦成都源逦２０１８年９月逦充电自燃逦Ｗ

冷板,结构尺寸

逦１邋弓丨言逦逡逑能有效提高电池热性能，但水冷因为其固有的复杂性不是最佳选择，需要冷却器来逡逑冷却液体，栗来提供动力。Ｓｈａｈａｂｅｄｄｉｎ邋Ｋ．邋Ｍｏｈａｍｍａｄｉａｎ等人［４３］指出内部冷却相逡逑比于外部冷却，不仅降低温度而且提高温度均匀性，因此提出在电极嵌入微通道，逡逑注入冷却剂来给电池进行内部冷却。提高冷却水入口温度，则电池平均温度升高，逡逑但是温度标准差降低。这个问题需要深入研究。ＷｅｉＴｏｎｇ等人对锂离子电池组逡逑进行了数值研宄，包括冷却剂速度、冷却板数量和厚度，堆叠数量增加可以降低电逡逑池温度，但也会导致电池组整体重量变大。ＹｕｔａｏＨｕｏ等人考虑到导热系数和粘逡逑度，采用液态水来给电池进行冷却，流动状态为层流，当环境温度高的时候，要增逡逑大液体介质的导热系数，可以采用两相流。逡逑—４邋？｜—逡逑

示意图,传热模型,控制方程,圆柱形

逦３逦４逡逑图２－１锂离子电池单体电化学模型示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２－１邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｍｏｄｅｌ邋ｆｏｒ邋ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ逡逑（２）控制方程逡逑在外加电场的作用下，正极材料的锂离子脱离出来，经过电解液和隔膜向负极逡逑移动，与负极的碳原子发生化学反应，生成ＬｉＣ６，嵌入到负极中，而等量的电子沿逡逑着外电路从负极到正极。在放电过程中，内部电场转向使得锂离子从负极脱嵌，顺逡逑着电场的方向，与正极材料发生化学反应，回归正极，而等量电子的沿着外电路从逡逑正极到负极。在放电和充电过程中，阳极和阴极的电化学反应如下［６４］：逡逑阳极：ＬｉＣ６＜逦＞Ｌｉ，＿ｘＣ６＋ｘＬｒ＋ｅ－逦（２－１）逡逑阴极：ｘＬｉ邋＋邋ｘｅ—邋＋邋Ｌｉ＾ＦｅＰＣ＾邋＜邋ｄ＇ｃｆ：邋＞ＬｉＦｅＰ0４逦（２－２）逡逑上述正、负极的电化学反应的是指就是锂离子在正负极的嵌入和脱嵌，这一过逡逑程由巴特勒－福尔摩（Ｂｕｔｌｅｒ－Ｖｏｌｍｅｒ）方程来描述

【参考文献】