锂电池关键热物性参数测量及仿真应用

作     者：赖贞行 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡远志;赵志伟

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 热物性参数 热特性 热模拟 电池热管理系统 

摘      要：当锂离子电池运行在不合适的工作温度范围时会影响电动汽车的使用安全性。开发高效的热管理系统是解决新能源汽车在极端环境下安全稳定运行的关键,建立准确的热模型是设计热管理系统的关键,而电池热物性参数和热特性的精准测算则是热管理系统研究的基础。本研究针对51Ah高能比三元方形锂离子电池的热问题进行了深入分析,包括电池的热物性参数、热特性、热模拟验证以及液冷系统的设计与优化等方面。 在热物性参数的测量方面,本文通过高精密仪器检测锂离子电池表面的温度响应,结合比热容和导热系数的相关换算公式,推导出电池总体的平均比热容或平均导热系数。本文采用加速量热仪测量了方形锂电池的比热容,设计了比热容的优化实验,提升了比热容实验的测试精度。同时,利用三维非稳态反演法测量了方形锂电池的导热系数,并通过误差函数的最小化得到导热系数的最优值。这些参数的准确测量对于电池热模拟的准确性至关重要。 在电池的热特性和老化特性研究中,本文基于加速量热仪和等温量热仪进行了锂离子电池的产热测试以及产热功率测试,同时采用充放电仪测试了锂离子电池的循环寿命和内阻特性,并运用微分容量分析法对锂离子电池的老化机理进行了系统性地分析。在热模拟验证方面,利用热参数和热特性测试的结果,建立了方形锂电池的集总产热模型,并设计了一种快速获取导热系数的辨识方法。 在液冷系统的设计及优化研究中,本文基于仿真结果和实验数据,运用三维流体-传热仿真软件对电池模组的温度特性进行了系统性分析。研究表明,在自然对流条件下,电池组的最大温度和最大温差随放电倍率增加而增大。通过对比不同流道结构下的液冷系统冷却效果,U型流道的电池组最高温度相比于自然对流时降低了19.68°C并且其冷却液压降较低,显示出最佳的冷却性能。利用经验公式模型模拟了电池组在老化状态下的产热特性。此外,热物性参数对电池模组产热特性的影响分析揭示了导热系数和比热容对电池温度特性的显著影响。 综上所述,本研究不仅提供了一种准确测量电池热物性参数的方法,而且通过热特性分析和热模拟验证,为电池热管理系统的设计和优化提供了理论依据。这些成果对于提高电池的性能和安全性,以及推动电池技术的发展具有重要意义。