车用锂离子电池模组液冷散热优化研究
发布时间:2020-12-17 04:01
锂离子电池作为纯电动汽车的动力源,对于当下能源紧缺和环境污染问题的解决具有重要意义。但是,由于锂离子电池工作过程中会产生并积聚大量的热量,如果长期散热不良,容易导致电池性能下降和寿命衰减,甚至会引发燃烧、爆炸等一系列安全问题,因此,为了保证纯电动汽车经济、高效、安全的运行,对于锂离子电池热管理技术的研究显得尤为重要。本文以项目合作单位生产的软包三元锂离子电池作为研究对象,采用理论分析与计算、数值模拟、试验相结合的方法,对锂离子电池模组液冷散热进行了优化研究。本文的主要研究内容与成果如下:(1)基于热力学和传热学知识,总结并简化了锂离子电池的生热量表达式,确定了锂离子电池的主要传热方式以及对应的导热和对流换热公式。(2)进行了不同放电倍率下的单体锂离子电池温升试验,试验结果表明:放电过程中单体电池的高温区为电池体中部及正极附近区域,负极区域温度最低;电池温升速率呈现先减小后增大的趋势;放电倍率越高,电池的最高温度和最大温差越大。(3)通过试验测量得到单体锂离子电池的放电内阻与熵热系数,并结合Bernadi提出的电池生热模型,获取了电池在环境温度分别为0℃、25℃、40℃,放电倍率分别为0...
【文章来源】: 陈坤 吉林大学
【文章页数】:118 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
2019年5月3日美国旧金山特斯拉Model S自燃起火
图1.1 2019年5月3日美国旧金山特斯拉Model S自燃起火Bernardi[8]等将能量守恒原理应用到电池热平衡的研究中,充分考虑了电功率、电池内部电化学反应的可逆热和熵热、材料相变等因素,提出了经典的生热方程,该方程从提出至今被广泛应用于电池温度和生热速率的预测。Thomas和Newman[9]基于Bernardi产热模型,修正了锂离子电池开路电压的预测误差,并进一步考虑了多孔电极内的物质混合效应,提高了模型精确度。陈英杰[10]等将Bernardi产热模型进行简化,通过一组多环境温度下的恒电流试验和基于电池机理的试验数据处理流程解决了参数的非线性特性,该方法可以快速、精确的对锂离子电池关键热特性参数进行估计。Gi-Heon Kim[11]等提出了解决热失控行为的三维模型,考虑了锂离子电池的形状、尺寸和电池材料的空间分布,仿真计算结果表明尺寸较小的电池比较大的电池吸收热量更快,并用三维热成像图展示了电池热扩散的多维状态。Ashkan[12]等建立了锂离子电池的物理模型,并仿真分析了其不同工作负荷下的生热特性,然后以试验结果验证了仿真预测电池发热情况的准确性。Marie-Therese von Srbik[13]等建立了基于二维电化学模型的锂离子电池等效电路模型,此模型可以解释电池工作过程中内部复杂的电化学和生热规律的变化,并在此基础上引入电池生热与老化模型,搭建了可以估计电池老化程度的电化学-热耦合模型。李光远[14]分析了锂离子电池的生热原理和热交换原理,并基于此搭建了基于Bernardi方程和牛顿冷却原理的电池质量热模型,引入符合Arrhenius经验公式的电池内部参数变化,搭建了锂离子电池电化学-热耦合模型,并从端电压和温度两方面验证了模型的精确性。
在科研领域,目前对于采用空气冷却系统进行电池热管理的研究主要集中在风道结构的设计、电池系统的布局以及送风参数的调控等方面[16-18]。Liwu Fan[19]等对插电式混合动力汽车锂离子电池模块的风冷式热管理系统展开了研究,通过建立风冷模型并进行模拟计算,发现减小电池之间的空气间隙间距、增大空气流动速度可以降低电池模组的最高温度,降低温升。Mao Li[20]等建立并优化了锂离子电池模组的空气热管理系统,通过试验研究冷却空气的质量流量、电池对冷却空气的热流率以及空气通道间距大小对电池热性能的影响,结果表明增加空气的总质量流量可使通道间的空气流量分布更加均匀,较大的通道间距尺寸会使电池壁面上的温度均匀性恶化,通过对通道间距优化,使电池间的最大温差由25.7 K降至6.4 K,减小了75.1%。Zhongming Liu[21]等将空气流动阻力模型和瞬态热传递模型相结合,通过快速预测的方法,给出了电池模组导流板倾角、最小宽度以及电池间距对空气非均匀分布和电池模组温度场分布的影响,并通过参数调整提高了电池的温度均匀性。常国峰[22]等利用均匀送风理论,对镍氢动力电池热管理系统中空气流速的均匀性进行了研究,通过改变空气流量和风道开孔等结构参数,提高了动力蓄电池的可靠性和耐久性。陈凯[23]等将遗传算法应用到风冷式电池热管理系统中,采用流阻网格模型与遗传算法相结合的方法,优化空气进出口导流板角度,使得系统冷却流道内空气速度均匀化,仿真发现此优化模型可以使电池模组的最高温度和最大温差均减小。1.2.3 液体冷却系统
【参考文献】:
期刊论文
[1]锂离子动力电池相变冷却实验研究[J]. 黄瑞,洪文华,俞小莉,陈俊玄,李智,何晓帆. 实验技术与管理. 2019(10)
[2]基于红外热成像技术的锂离子电池热特性试验研究[J]. 陈坤,李君,于锋,刘艺,贾春辉. 科学技术与工程. 2019(21)
[3]锂离子电池热失控临界温度特性研究现状[J]. 邓孝元,郑自冲,王伟. 企业技术开发. 2019(07)
[4]18650型锂离子电池燃烧特性及火灾危险性评估[J]. 王文和,何腾飞,米红甫,秦毅,龚迎秋,汪庆升. 安全与环境学报. 2019(03)
[5]恒流环境下锂离子电池热参数估计[J]. 陈英杰,杨耕,刘旭. 电机与控制学报. 2019(06)
[6]大容量锂电池液冷冷却结构设计及仿真分析[J]. 唐爱坤,娄刘生,单春贤,李建明. 电源技术. 2019(05)
[7]新能源汽车技术发展现状和趋势[J]. 毛传云. 时代汽车. 2019(07)
[8]电动汽车动力电池冷却板新产品开发试制方法[J]. 李丽颖,江国华,张跃,李雪飞,魏凌波. 汽车工艺与材料. 2018(07)
[9]基于遗传算法的风冷式动力电池热管理系统优化[J]. 陈凯,汪双凤. 工程热物理学报. 2018(02)
[10]电动汽车动力电池液体冷却系统构建及其工作过程仿真[J]. 张天时,宋东鉴,高青,王国华,闫振敏,宋薇. 吉林大学学报(工学版). 2018(02)
硕士论文
[1]动力电池热特性分析及冷却系统优化[D]. 贾春辉.吉林大学 2019
[2]面向SOC估计的锂离子电池电化学—热耦合建模[D]. 李光远.吉林大学 2018
[3]纯电动汽车锂离子电池组液冷散热系统研究[D]. 杨洋.华南理工大学 2018
[4]纯电动汽车电池箱热特性研究及热管理系统开发[D]. 沈帅.吉林大学 2013
[5]基于相变材料的锂离子电池热管理系统研究[D]. 曹建华.清华大学 2013
[6]高稳定性恒温控制平台的设计与制作[D]. 吴戈.吉林大学 2006
本文编号:2921373
【文章来源】: 陈坤 吉林大学
【文章页数】:118 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
2019年5月3日美国旧金山特斯拉Model S自燃起火
图1.1 2019年5月3日美国旧金山特斯拉Model S自燃起火Bernardi[8]等将能量守恒原理应用到电池热平衡的研究中,充分考虑了电功率、电池内部电化学反应的可逆热和熵热、材料相变等因素,提出了经典的生热方程,该方程从提出至今被广泛应用于电池温度和生热速率的预测。Thomas和Newman[9]基于Bernardi产热模型,修正了锂离子电池开路电压的预测误差,并进一步考虑了多孔电极内的物质混合效应,提高了模型精确度。陈英杰[10]等将Bernardi产热模型进行简化,通过一组多环境温度下的恒电流试验和基于电池机理的试验数据处理流程解决了参数的非线性特性,该方法可以快速、精确的对锂离子电池关键热特性参数进行估计。Gi-Heon Kim[11]等提出了解决热失控行为的三维模型,考虑了锂离子电池的形状、尺寸和电池材料的空间分布,仿真计算结果表明尺寸较小的电池比较大的电池吸收热量更快,并用三维热成像图展示了电池热扩散的多维状态。Ashkan[12]等建立了锂离子电池的物理模型,并仿真分析了其不同工作负荷下的生热特性,然后以试验结果验证了仿真预测电池发热情况的准确性。Marie-Therese von Srbik[13]等建立了基于二维电化学模型的锂离子电池等效电路模型,此模型可以解释电池工作过程中内部复杂的电化学和生热规律的变化,并在此基础上引入电池生热与老化模型,搭建了可以估计电池老化程度的电化学-热耦合模型。李光远[14]分析了锂离子电池的生热原理和热交换原理,并基于此搭建了基于Bernardi方程和牛顿冷却原理的电池质量热模型,引入符合Arrhenius经验公式的电池内部参数变化,搭建了锂离子电池电化学-热耦合模型,并从端电压和温度两方面验证了模型的精确性。
在科研领域,目前对于采用空气冷却系统进行电池热管理的研究主要集中在风道结构的设计、电池系统的布局以及送风参数的调控等方面[16-18]。Liwu Fan[19]等对插电式混合动力汽车锂离子电池模块的风冷式热管理系统展开了研究,通过建立风冷模型并进行模拟计算,发现减小电池之间的空气间隙间距、增大空气流动速度可以降低电池模组的最高温度,降低温升。Mao Li[20]等建立并优化了锂离子电池模组的空气热管理系统,通过试验研究冷却空气的质量流量、电池对冷却空气的热流率以及空气通道间距大小对电池热性能的影响,结果表明增加空气的总质量流量可使通道间的空气流量分布更加均匀,较大的通道间距尺寸会使电池壁面上的温度均匀性恶化,通过对通道间距优化,使电池间的最大温差由25.7 K降至6.4 K,减小了75.1%。Zhongming Liu[21]等将空气流动阻力模型和瞬态热传递模型相结合,通过快速预测的方法,给出了电池模组导流板倾角、最小宽度以及电池间距对空气非均匀分布和电池模组温度场分布的影响,并通过参数调整提高了电池的温度均匀性。常国峰[22]等利用均匀送风理论,对镍氢动力电池热管理系统中空气流速的均匀性进行了研究,通过改变空气流量和风道开孔等结构参数,提高了动力蓄电池的可靠性和耐久性。陈凯[23]等将遗传算法应用到风冷式电池热管理系统中,采用流阻网格模型与遗传算法相结合的方法,优化空气进出口导流板角度,使得系统冷却流道内空气速度均匀化,仿真发现此优化模型可以使电池模组的最高温度和最大温差均减小。1.2.3 液体冷却系统
【参考文献】:
期刊论文
[1]锂离子动力电池相变冷却实验研究[J]. 黄瑞,洪文华,俞小莉,陈俊玄,李智,何晓帆. 实验技术与管理. 2019(10)
[2]基于红外热成像技术的锂离子电池热特性试验研究[J]. 陈坤,李君,于锋,刘艺,贾春辉. 科学技术与工程. 2019(21)
[3]锂离子电池热失控临界温度特性研究现状[J]. 邓孝元,郑自冲,王伟. 企业技术开发. 2019(07)
[4]18650型锂离子电池燃烧特性及火灾危险性评估[J]. 王文和,何腾飞,米红甫,秦毅,龚迎秋,汪庆升. 安全与环境学报. 2019(03)
[5]恒流环境下锂离子电池热参数估计[J]. 陈英杰,杨耕,刘旭. 电机与控制学报. 2019(06)
[6]大容量锂电池液冷冷却结构设计及仿真分析[J]. 唐爱坤,娄刘生,单春贤,李建明. 电源技术. 2019(05)
[7]新能源汽车技术发展现状和趋势[J]. 毛传云. 时代汽车. 2019(07)
[8]电动汽车动力电池冷却板新产品开发试制方法[J]. 李丽颖,江国华,张跃,李雪飞,魏凌波. 汽车工艺与材料. 2018(07)
[9]基于遗传算法的风冷式动力电池热管理系统优化[J]. 陈凯,汪双凤. 工程热物理学报. 2018(02)
[10]电动汽车动力电池液体冷却系统构建及其工作过程仿真[J]. 张天时,宋东鉴,高青,王国华,闫振敏,宋薇. 吉林大学学报(工学版). 2018(02)
硕士论文
[1]动力电池热特性分析及冷却系统优化[D]. 贾春辉.吉林大学 2019
[2]面向SOC估计的锂离子电池电化学—热耦合建模[D]. 李光远.吉林大学 2018
[3]纯电动汽车锂离子电池组液冷散热系统研究[D]. 杨洋.华南理工大学 2018
[4]纯电动汽车电池箱热特性研究及热管理系统开发[D]. 沈帅.吉林大学 2013
[5]基于相变材料的锂离子电池热管理系统研究[D]. 曹建华.清华大学 2013
[6]高稳定性恒温控制平台的设计与制作[D]. 吴戈.吉林大学 2006
本文编号:2921373
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