锂离子动力电池单体热行为及模组热管理优化研究
发布时间：2020-08-15 22:09
【摘要】：由于全球能源短缺和环境保护的需要,电动汽车发展已经成为国际社会公认的汽车产业发展趋势。锂离子动力电池作为电动汽车的核心动力来源,其热安全将直接影响到电池系统的可靠性,进而对电动汽车的安全性能产生重要影响。对锂离子电池单体热行为和模组热管理优化的研究将提升电池工作过程可靠性,进而保证电池系统安全性。该文基于COMSOL Multiphysics软件,针对锂离子动力电池单体和模组,对某一特定正常工况和热失控工况下电池热特性进行了模拟研究,并结合实验数据分析,验证模型的准确性。具体内容包括以下三部分:基于电池测试试验,对26Ah单体软包锂离子电池进行充放电测试,容量衰减测试和恒温测试。其测试结果表明:电池在充放电过程中均会出现三个时期,中间平台期电池电压最为稳定同时高倍率充放电会缩短电池处于稳定平台期时间;当电池以规定方式循环充放电2500次时,其容量将降低至额定容量的80%;电池工作温度将严重影响电池的放电容量,当工作温度为-20℃时其容量将降低30%。建立26Ah单体软包电池热失控模型,对锂离子动力电池进行针刺热滥用触发模拟,研究针刺触发热失控过程中电池内部活性材料随时间的变化规律和针刺半径对电池热失控产热的影响,并基于针刺实验验证模型准确性。研究发现在该类锂离子动力电池热滥用过程中电池负极材料量下降50%,热量的主要来源是内部活性材料在高温下分解所产生的热量;针刺半径在3mm范围内,半径越小针刺点内阻越大,这将直接导致针刺点产热率上升,继而导致电池平均温度的上升。基于单体软包锂离子电池模型,考虑实验验证模型可行性,以18650电池模组为研究对象,建立锂离子电池模组热电耦合模型,分析以PCM(Phase Change Material)和石墨为填充材料下充放电倍率、液冷流量、液冷管排数对电池模组温度的影响;使用针刺触发电池热失控,探究填充材料对电池模组热失控传播的影响;结合电池热失控试验数据验证模型准确性;基于已验证的电池模组热失控模型,改变电池填充材料属性参数,研究填充材料对电池热失控蔓延的影响,优化电池热管理方案。研究结果表明:填充材料和管排数对电池正常模组温升影响较大;填充材料为石墨时最佳液冷管排数为8根;PCM材料能将对热失控传播时间控制在46s/颗;采用质量分数为30%的泡沫金属作为电池填充材料将在保证电池最大安全性的同时降低电池模组温度。本文基于针刺触发方式建立电池单体热失控模型并验证,并以单体研究为基础构建以填充材料和液冷结合的新型热管理方案,实现基于质量分数为30%泡沫金属复合材料作为电池填充材料时效果最优,在控制特定正常工况电池温升的同时,将热失控在模组总蔓延时间控制在63s以内。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文电桩布置也在不断研发和试水，这将会进一步提升中国在该领域的竞争力。新能源汽车产销数量增长迅速，据相关数据显示，2017 年我国新能源汽车生9.4 万辆，同比增长 53.8%，其中销量为 77.7 万辆，同比增长 53.3%。新能源占比为 2.7%，其保有总量已经突破 180 万辆。截止至 2018 年，我国新能源汽量分别为 127 万辆和 125.6 万辆，其中纯电动汽车产销分别完成 98.6 万辆和，同比增长 47.9%和 50.8%，插电式混合动力汽车产销增长幅度高于纯电动汽销分别完成 28.3 万辆和 27.1 万辆，同比分别增长 122%和 118%
图 2.3 COMSOL Multiphysics 软件设置示意图“研究”模块的作用是设定具体计算条件。其中模块中包括“参数化扫描”，“”和“求解器配置”。“参数化扫描”实现对不同参数条件进行扫描计算，并将制在一张图上；“步骤”中确定计算时间和计算时间间隔，并设定网格信息。“”设置一般按照默认设置即可。“结果”模块中，可以基于探针数据，对电池模组，电池单体的温度、电流、等参数变化进行绘制，也可以实现电池参数动态云图的绘制。3.2 COMSOL 软件的计算原理COMSOL 软件的计算原理是基于经典热力学理论和数值计算方法，通过计算计算的方式，计算不同时间和空间领域热流场分布，继而实现对电池包整体温的全域全周期模拟，其计算流程图如图 2.4 所示。其基本思想可以归结为：将原
图 3.1 充电过程中电压随 SOC 变化研究电池放电过程规律时，先使用恒流-恒压充电方式将电池充满电，其恒倍率为 1C，基于充满电电池使用 0.1C、0.5C、1C、5C、10C 五种放电倍率其电池电压与 DOD（depth of discharge）关系如下图 3.2 所示。
本文编号：2794727
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文电桩布置也在不断研发和试水，这将会进一步提升中国在该领域的竞争力。新能源汽车产销数量增长迅速，据相关数据显示，2017 年我国新能源汽车生9.4 万辆，同比增长 53.8%，其中销量为 77.7 万辆，同比增长 53.3%。新能源占比为 2.7%，其保有总量已经突破 180 万辆。截止至 2018 年，我国新能源汽量分别为 127 万辆和 125.6 万辆，其中纯电动汽车产销分别完成 98.6 万辆和，同比增长 47.9%和 50.8%，插电式混合动力汽车产销增长幅度高于纯电动汽销分别完成 28.3 万辆和 27.1 万辆，同比分别增长 122%和 118%
图 2.3 COMSOL Multiphysics 软件设置示意图“研究”模块的作用是设定具体计算条件。其中模块中包括“参数化扫描”，“”和“求解器配置”。“参数化扫描”实现对不同参数条件进行扫描计算，并将制在一张图上；“步骤”中确定计算时间和计算时间间隔，并设定网格信息。“”设置一般按照默认设置即可。“结果”模块中，可以基于探针数据，对电池模组，电池单体的温度、电流、等参数变化进行绘制，也可以实现电池参数动态云图的绘制。3.2 COMSOL 软件的计算原理COMSOL 软件的计算原理是基于经典热力学理论和数值计算方法，通过计算计算的方式，计算不同时间和空间领域热流场分布，继而实现对电池包整体温的全域全周期模拟，其计算流程图如图 2.4 所示。其基本思想可以归结为：将原
图 3.1 充电过程中电压随 SOC 变化研究电池放电过程规律时，先使用恒流-恒压充电方式将电池充满电，其恒倍率为 1C，基于充满电电池使用 0.1C、0.5C、1C、5C、10C 五种放电倍率其电池电压与 DOD（depth of discharge）关系如下图 3.2 所示。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 宋丽;魏学哲;戴海峰;孙泽昌;;锂离子电池单体热模型研究动态[J];汽车工程;2013年03期
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1 孙开莲;二次锂电池正负极材料制备与性能研究[D];上海大学;2015年
相关硕士学位论文 前3条
1 韩学飞;锂离子电池热管理及电化学—热耦合分析[D];华东理工大学;2018年
2 孙秋娟;镍钴锰酸锂/钛酸锂电池热效应的实验与模拟研究[D];中国科学技术大学;2015年
3 郭巧嫣;车用动力电池多内热源生热模型和电热不一致性研究[D];华南理工大学;2015年
本文编号：2794727
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