锂离子电池组不一致性及热管理的模拟研究

发布时间：2021-03-18 13:35

锂离子电池组是有望在新能源汽车、智能电网等领域中大规模应用的储能装置之一，但目前仍有许多问题亟待解决。其中，单电池参数的不一致性是影响电池组使用寿命的关键因素，热管理是保证电池组安全运行的重要手段，对两者的深入研究有助于电池组在各领域的应用。以某商业化的磷酸铁锂电池为样品，我们建立了单电池等效电路模型。该模型考虑了电池的阻抗特性随荷电状态及温度的变化，并考虑了开路电压的滞后效应。因此，在保持等效电路模型计算快捷这一优点的同时，该模型在较宽的温度和倍率范围内都具有很高的模拟精度。这一模型是后续建立电池组模型以分析不一致性影响的基础。我们模拟了采用不同连接方式的电池组在不一致性影响下的不同表现，并选出了一个合适的连接成组方式以尽量避免不一致性的不利影响。对采用先串后并与先并后串这两种连接方式的电池组的模拟研究表明，在相同程度的不一致性影响下，前者的续航能力更弱，但循环寿命更长。考虑电池组续航与循环寿命之间的平衡，我们选择了一种新的电池连接成组方式，即单电池先串联成电池单元、电池单元再并联成电池模块、电池模块最后串联成电池组。该方式有利于避免不一致性的不利影响。通过对一个10串10并电池组的模拟，我们阐明了电池组内的温度分布对其性能与循环寿命的影响。平均温度越低，温度不均匀程度越高，电池组内单电池放电深度的不一致性越高；平均温度越高，温度不均匀程度越高，电池组循环寿命越短。值得注意的是，，不均匀的温度分布会导致并联支路间电流分配不均，从而恶化单电池老化速率的一致性。利用该模型，我们对电池组温控目标进行了讨论。结果表明，对于一个连续的充放电循环过程，电池组的整体温度应当控制在20°C，而组内最大允许温差可放宽至10°C。在电池组热管理方面，我们提出了一种对并行式空冷电池组内部的流场与温度场进行快捷估算的方法。该方法由流动阻力网络模型和暂态传热模型组成，避免了计算流体动力学方法用于模拟大型电池组时计算量过大的问题，同时保证了很高的估算精度。利用这一方法，我们考察了不均匀的流场对电池组内温度均匀性的影响，并以提高温度均匀性为目标，对空冷系统的结构参数进行了讨论，给出了一个可行的参数配置方案。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM912

文章目录

摘要

ABSTRACT

前言

第一章绪论

1.1 锂离子电池概述

1.1.1 锂离子电池的诞生

1.1.2 锂离子电池的结构与工作原理

1.1.3 锂离子电池的分类

1.1.4 锂离子电池的市场前景

1.2 用于电池管理系统的单电池模型

1.2.1 等效电路模型

1.2.2 单粒子模型

1.2.3 电池老化机理与模型

1.3 单电池参数的不一致性

1.3.1 电池连接方式

1.3.2 电池 SOC 估算

1.4 电池组的热管理

1.4.1 热管理的数学模型

1.4.2 主动冷却方法

1.4.3 被动冷却方法

1.5 选题意义及研究内容

第二章单电池等效电路模型

2.1 电池阻抗特性与等效电路

2.2 参数测试方法

2.3 单电池等效电路模型

2.3.1 等效电路的选择

2.3.2 交流阻抗谱的实测结果

2.3.3 电化学极化阻抗

2.3.4 浓差极化阻抗

2.3.5 欧姆阻抗

2.3.6 容量、SOC 与开路电压

2.4 模型计算与验证

2.5 本章小结

第三章不均匀的温度分布对电池组充放电及容量衰减的影响

3.1 模型建立过程

3.1.1 单电池模型

3.1.2 电池组模型

3.2 温度分布对电池组充放电行为的影响

3.2.1 充放电电流分配

3.2.2 电池组内 SOC 不一致性的发展

3.2.3 单电池放电深度的不一致分布

3.3 温度分布对电池组内容量衰减的影响

3.3.1 充放电循环中的容量衰减

3.3.2 充电电流分配对容量衰减的影响

3.4 电池组温控目标的讨论

3.4.1 电池组的体积平均温度

3.4.2 电池组内的温差

3.5 本章小结

第四章不一致性对采用不同连接方式的两种电池组的影响

4.1 模型建立过程

4.2 单因素分析

4.2.1 先串后并电池组

4.2.2 先并后串电池组

4.3 参数不一致程度对放电终止 SOC 的影响

4.3.1 先串后并电池组

4.3.2 先并后串电池组

4.4 组成电池组的单电池数目的影响

4.5 不一致性对容量衰减的影响

4.6 本章小结

第五章并行式空冷电池组内流场与温度场的快捷估算方法

5.1 模型建立过程

5.1.1 并行式空冷系统的结构

5.1.2 流动阻力网络模型

5.1.3 暂态传热模型

5.1.4 电池模块的 CFD 模型

5.2 电池模块中的流场与温度场

5.3 空冷系统结构参数优化

5.4 多模块电池组的流场与温度场

5.5 本章小结

第六章结论

参考文献

发表论文及参加科研情况

致谢

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