基于液冷策略的锂离子电池组安全管理研究

摘要

锂离子电池的容量、内阻以及电压对所处的工作温度十分敏感。因此，电池组内部温度的不均一性会明显降低电池组的性能并且缩短电池的寿命周期。此外，锂离子电池在高度集成后，电池产生的热量在电池组内积聚，由于自身结构抗滥用性较差，容易发生热失控进而引起火灾或者爆炸事故。本文通过有限元数值模拟方法和小尺寸的实验对锂离子电池的液冷管理以及安全防护技术进行研究，旨在提出锂离子电池组优化设计方法，建立灭火-冷却一体化系统，为电池组均衡管理与消防灭火提供技术支撑。
　　在开放环境下分别对单电池、自然对流电池组以及使用液冷策略的电池组进行动态充放电测试，并研究电池的温度分布、电压以及电流的变化规律。结果表明，锂离子电池在动态循环中至少存在2个温度峰，随着电流倍率的增加，电池温度相应升高，温度峰发生了兼并。搁置工况一定程度上对电池升温过程进行缓冲，优化电池使用性能。在锂离子电池成组后，每个测点的波峰与波谷的出现存在时间差，温度极值以及温度波动呈现不同程度的增加。在0.5C、1C和3C循环倍率下系统中最高温度分别为27.4℃、38.5℃和62.9℃，最大温升分别为8.9℃、16.3℃和37.7℃，最大温差分别为4.9℃、4.2℃和13.7℃。使用液冷方案时，在同样的动态循环工况下，每个测点的时间差现象出现了明显的改善，系统的热均衡能力得到提高。在0.5C、1C和3C循环倍率下系统中最高温度分别为31.8℃、38.5℃和56.2℃，最大温差分别为1.6℃、3.5℃和29.5℃。
　　基于经典的传热理论以及电化学模型中提供的数学物理方法，利用多物理场仿真软件构建模型，对在开放环境中动态循环的单电池以及基于液冷策略动态循环的电池组进行了模拟与验证。结果表明，在动态循环过程中实验得到的单电池温度分布与模拟结果吻合较好，但模拟的充电电压比实验值偏高，最大值之间相差0.15V，同时在充电阶段模拟得到的温度峰也宽于实验温度峰。基于液冷策略，模拟得到的电池组温度分布与实验值变化趋势相同。由于热物性参数和动力学参数都是温度的函数，而模拟中所使用的为常量，导致模拟温度值低于实验值。在0.5C、1C和3C循环倍率下系统中模拟温度与实验温度最大误差分别为1.79℃、4.44℃和23.09℃。电池模组中外侧电池的模拟温度值与实验值相似。在0.5C、1C和3C循环倍率下的外侧电池模拟温度与实验测量值最大误差分别为1.11℃、3.09℃和7.15℃。
　　研究了火探管自身的热响应行为以及火探管灭火系统对锂离子电池火灾的灭火效率，根据实验结果提出火探管复合灭火系统方案。结果表明，火探管处于火焰区时响应时间较短，破裂降温较明显。当火探管灭火系统直接布置在电池正上方时，能在起火后的5.6s内有效控制火情，随着灭火剂用量增加体系温度将显著降低。火探管灭火系统是点式灭火系统，在灭火剂喷放后仅能冷却局部区域的电池单元，当覆盖区域外的电池发生失控后将作为热源继续加热临近电池，引发连锁热失控，也可能引起灭火区域内电池的复燃，造成灭火系统失效。根据实验结果，提出灭火技术与热均衡技术耦合的方法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 电池组热管理技术

1．2．2 锂电池本体安全性与电池组安全

1．3 前人研究不足与本文研究目的

1．4 本文的研究内容与章节安排

第2章 实验仪器及数值模拟方法

2．1 实验仪器介绍

2．1．2 电池充放电循环测试仪

2．1．2 微电脑脉冲点焊机

2．1．3 温度测量与视频记录系统

2．1．4 锂离子电池灭火测试箱

2．1．5 其它实验装置及材料

2．2 实验样品

2．3 数值模拟方法

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 研究方法

3．3 锂离子电池循环产热分析

3．3．1 商用三元单体电池在实验过程中的循环情况分析

3．3．2 商用三元电池成组后在实验过程中的温度变化情况分析

3．3．3 施加液冷策略后电池组的温度变化分析

3．4 本章小结

第4章 锂离子电池组液冷管理系统模拟与理论研究

4．1 研究方法

4．2 经典传热理论及电化学插层模型

4．2．1 三维热模型的传热理论

4．2．2 电池中的电化学插层模型

4．3 模拟模型建立及有效性验证

4．3．1 液冷电池组模型的几何构型与输入参数

4．3．2 单电池模型的循环产热对比情况

4．3．3 电池组模型的循环产热对比情况

4．4 本章小结

第5章 电池组灭火-冷却一体化系统开发

5．1 研究背景及方法

5．1．1 研究背景

5．1．2 研究方法

5．2 火探材料的热响应测试

5．3 灭火系统初步设计与有效性验证

5．3．1 单电池灭火测试结果

5．3．2 电池组灭火测试结果

5．4 灭火-冷却一体化系统构建

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本文主要结论

6．2 工作不足与未来展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文与参与的科研项目