基于大倍率放电和脉冲循环实验的铝板--热管的电池热管理

摘要

动力电池存在的热安全性、热可靠性和热稳定性的问题是限制新能源汽车发展的重要因素。电池热管理技术是改善电池温度的重要手段。目前的电池热管理是以空气、液体等介质为主，在一定程度上无法维持动力电池在大功率、快速充放时的最佳温度工作区间。本文提出了基于热管和铝板结合结构的电池热管理系统，既可以利用热管的高导热性，降低电池的表面温度，又可以利用铝板的导热性增强电池的表面温度的均匀性，提高电池的安全性、可靠性和稳定性。其具体内容主要有以下几个部分：　　①电池产热模型的建立。根据锂电池的工作原理和产热特性，分析电池的产热，其主要包括欧姆热、极化热和不可逆热，分别对每一部分进行产热模型的建立。另外根据电池在进行充放电时会通过电池极耳部分的特点，建立电池极耳的产热模型，其中电池单体的实验和仿真误差最大为1.77℃。　　②电池的阻值的测量和电池参数的确定。采用HPPC(Hybrid Pulse Power Characteristic)方法进行电池欧姆内阻和极化内阻的测量。采用温度控制法进行电动势温升系数的测量。并且进行了不同温度、不同电流和不同的SOC(State of Charage)情况下的数据预处理，基于多曲面响应模型进行多因素的内阻和电动势温升系数的建立，为电池的产热模型提供依据。根据串联和并联的等效热阻方法，对电池的密度、导热系数、比热容等电池的相关参数进行了测量，随着温度的升高，电池的内阻逐渐减小，SOC对于欧姆内阻的影响较小，对于极化内阻的影响较大。　　③热管的参数的测量。采用“分段热阻法”进行热管的热阻的参数测量，其中将热管的热阻分为蒸发段导热热阻、蒸发段传热热阻、冷凝段导热热阻、冷凝段传热热阻和翅片的热阻等几个部分。最后根据分段热阻的串并联关系，进行了蒸发段热阻和冷凝段热阻的计算，蒸发段和冷凝段的导热系数分别为：ke=5.71×104W/(m·K)和kc=1.13×107W/(m·K)。　　④产热模型和热管模型的验证。在不同环境温度和放电电流下，采用实验和仿真对比的方法，验证电池产热模型的准确性。建立了基于热管和铝板的电池热管理的实验和仿真模型，验证电池热管理模型的准确性，其最大误差为0.70℃。另外考虑到电池、热管和铝板等结构的蓄热情况和实际电池的运行工况，设计了电池脉冲循环的实验仿真研究，验证了电池在蓄热情况下热管理模型的准确性，其最大误差为0.53℃。　　⑤不同工况下的电池的产热机理分析。由于电池的工作工况的多变性，本文设计了冷端为热管、热管和翅片的组合方式下，电池热管理的在50A、75A和100A放电电流下电池温度的比较，随着电流的增大，电池产热量的增大，电池的温升在逐渐升高。分析SOC=0.2、SOC=0.5和SOC=0.8情况下的脉冲循环对电池表面温度的影响，在热管冷端加有翅片的情况下，电池的温度受SOC变化的影响较小，无冷端强化的热管受SOC的影响较大。　　⑥电池热管理的优化。基于轻量化和经济性的要求，分析热管和铝板结合的电池热管理系统在传热过程中热阻的分布特点，分别对热管数量、翅片间距、铝板厚度和冷端对流换热系数4种情况下的电池热管理进行了研究，并且采用正交实验法，分析电池的热管理结构对电池的表面温度和温度均匀性的影响，其中，在翅片间距D=10mm和D=5mm的情况下，会出现传热极限，另外在热管数量HP=3时，电池的温度均匀性不会随着热管数量的增多而产生明显的变化。

目录

1 绪论

1.1 能源与环境问题

1.2 新能源汽车发展现状

1.3 动力电池热管理的发展的必要性

1.4.1 电池产热模型的研究

1.4.2 动力电池热管理的研究

1.5 本文研究的内容

2 锂离子动力电池的产热模型

2.1 动力电池分类

2.2 锂离子电池的工作原理

2.3 锂离子动力电池产热模型的构建

2.4 极耳的热模型的建立

2.5本章小结

3 电池单体内阻实验研究

3.1概述

3.2 实验设备

3.3 内阻的测量

3.4 电池近似模型的建立

3.5 结果分析

3.5.1 内阻的结果分析

3.5.2电动势温升系数的结果分析

3.6 电池的参数测量

3.6.1 锂电池物性参数计算

3.6.2 电池比热容的测量和计算

3.6.3 电池导热系数计算

3.6.4 电池密度测量和计算

3.6.5电池极耳参数的确定

3.7 本章小结

4 热管参数性能的研究

4.1 概述

4.2.1 热管的工作原理

4.2.2 热管的传热极限

4.3.1 热管的传热过程

4.3.2 热阻计算

4.4总结

5 电池的实验仿真研究

5.1 概述

5.2.1 仿真模型的建立

5.2.2模拟结果

5.3.1 热管理介绍

5.3.2 实验和仿真分析

5.4.1 散热方式的影响

5.4.2 放电电流的影响

5.5 循环脉冲实验和仿真研究

5.5.1 散热方式对脉冲循环的影响

5.5.2 放电深度对脉冲循环实验的影响

5.6 总结

6 电池热管理的优化设计

6.1 概述

6.2 动力电池的结构优化设计

6.2.1 热管冷端风速

6.2.2 翅片间距

6.2.3 热管数量

6.2.4 铝板厚度

6.3 优化结构设计

6.4 总结

7结论及展望

7.1 研究总结

7.2 本文的创新之处

7.3 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致 谢