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锂电池热电耦合特性分析与热行为仿真研究

锂电池热电耦合特性分析与热行为仿真研究

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作者：陈昊鹏吉林大学

学位级别：硕士

锂电池热行为的准确模拟与表征是热设计与热管理研究的关键。目前,大部分电池热管理研究普遍将电池简化为内部发热均匀的稳定热源。该方法将电行为与热行为相互孤立,忽略了电池电势与温度分布的不均匀性,在源头上并未表征出电池真实的... 详细信息

锂电池热行为的准确模拟与表征是热设计与热管理研究的关键。目前,大部分电池热管理研究普遍将电池简化为内部发热均匀的稳定热源。该方法将电行为与热行为相互孤立,忽略了电池电势与温度分布的不均匀性,在源头上并未表征出电池真实的温升特性与温度场分布规律,这会削弱后续电池热管理设计的准确性与可靠性。为了解决这一关键问题,本文采用实验与仿真相结合的方法,开展了锂电池热电耦合特性分析与热行为仿真研究。表征了不同电池材料、电池形态、行驶工况、电气连接方式、外界环境温度与循环老化影响下锂电池的温升特性与温度场分布规律,提升了锂电池热行为模拟的真实性。全文主要研究工作如下:首先,开展了不同材料与形态下锂电池电热耦合模型构建工作。从电池结构与原理、生热与传热机制以及老化机理三方面对锂电池基本工作特性进行了归纳总结。以方形NCM三元锂电池、方形磷酸铁锂电池与21700圆柱形NCM三元锂电池为研究对象,在MSMD-NTGK模型基础上,从几何建模、模型参数基本设置、研究工况设置与网格无关性验证等方面着重阐述了单体锂电池电热耦合模型的构建过程,为后续章节的电池热电耦合模拟计算与热行为研究奠定基础。其次,开展了常温工况下单体锂电池热行为研究与模型表征工作。设计了单体电池充放电特性实验方案、热电耦合模型表征方法与建模关键参数提取运算流程,分别构建了方形NCM三元锂电池、方形磷酸铁锂电池与21700圆柱形NCM三元锂电池的热电耦合模型。将红外热成像与温度传感器监测的实验数据与模型仿真结果进行对比,充分验证了模型的准确性。在此基础上,实现了包括恒倍率放电工况、FTP75工况、NEDC工况与WLTC工况在内的汽车典型行驶工况下不同材料与形态的电池热行为表征。再次,开展了考虑实体电气连接的成组电池热行为仿真方法研究工作。在前述章节计算模型的基础上,耦合了ROM降阶模型来加快仿真运算速度。将研究主体从单体电池拓展到电池模组,进一步完善了成组电池充放电特性实验系统,开展了成组电池热行为实验研究。结果表明,极耳间电气连接部件母排对成组电池热行为有较大影响。仿真模拟中若将其忽略,会削弱后续成组电池热管理设计的可靠性,亟需对此开展深入研究。分别采用虚拟电气连接与实体电气连接的仿真方法研究了恒倍率放电工况与车辆实际行驶工况下母排的产热与传热对电池模组热行为的影响,构建了与实际电气连接过程和工作机制完全相同的模组级电池热电耦合模型。在不考虑经济成本与电池结构设计差异的情况下,研究了母排厚度、长度与材料等特征参量与电池模组热行为的交互影响规律,提出了电池模组母排设计的仿真分析方法与改良方案。在恒倍率放电工况与车辆实际行驶工况下对比研究了母排改良前后电池模组热行为的变化,以期提升成组电池热行为仿真的真实性,为电池模组及其热管理的工业设计与优化提供可供借鉴的分析方法与参考依据。最后,开展了温度与老化影响下电池热行为研究与模型重构工作。一方面,开展了不同环境温度下电池充放电特性实验,提取了建模所需关键参数。在阿伦尼乌斯公式与能斯特方程的基础上,引入了温度修正因子IF,构建了宽温域电池热电耦合模型。实现了宽温域范围内恒倍率放电工况与车辆实际行驶工况下电池热行为表征,拓宽了模型的温域环境适应范围,提高了不同外界环境温度下模型模拟的准确性。另一方面,开展了不同循环老化程度下电池充放电特性实验,提取了建模所需关键参数。总结了微观层面负极SEI膜生长与宏观层面电池热电耦合特性的交互作用机制,引入了老化影响因子IF,构建了考虑循环老化影响的电池热电耦合模型,实现了恒倍率放电工况与车辆实际行驶工况下老化前后电池热行为表征,为锂电池健康状态的准确预测及有效管理奠定基础。本文涉及的电池充放电特性实验方案、热电耦合模型表征方法与关键参数提取运算流程可以为锂电池热特性研究及工程应用提供借鉴,同时最终表征的电池热模型对于电池结构改进与热管理设计具有一定参考意义。

关键词：锂动力电池热行为仿真热电耦合模型宽温域表征循环老化表征

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基于实验修正的电池热管冷却与热失控行为数值研究

基于实验修正的电池热管冷却与热失控行为数值研究

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作者：冯文浩天津大学

学位级别：硕士

锂离子电池凭借高能量密度、快充放电、宽温度范围、长寿命等优点成为了新能源汽车“动力心脏”的首选。然而,电池组单体数量多且空间排列紧密,加上在时间维度上的延长,电池在充放电过程中易发生热不均衡或热失控现象。事实上,准确观测... 详细信息

锂离子电池凭借高能量密度、快充放电、宽温度范围、长寿命等优点成为了新能源汽车“动力心脏”的首选。然而,电池组单体数量多且空间排列紧密,加上在时间维度上的延长,电池在充放电过程中易发生热不均衡或热失控现象。事实上,准确观测热不均衡或热失控现象追本溯源是需要精确的仿真数学模型,因仿真数学模型特征参数受温度影响,需由多组不同温度工况下的实验测试数据对模型特征参数进行修正,从而建立低温度依赖性的高精度仿真数学模型。本文主要采用仿真为主、实验为辅两者相结合的方法展开研究工作。具体工作为:首先,建立包含正负极耳的电池单体物理模型,开展电池在-10℃、0℃、25℃和40℃四组温度工况下的0.5 C、1.0 C、1.5 C和2.0 C的恒倍率放电实验,根据实验数据拟合得到电化学-热(ECT)耦合模型修正后的特征参数Y值和U值,而后在FLUENT软件中构建修正ECT耦合模型,并仿真预测其他实验工况。结果表明:修正的ECT耦合模型可以在合理正负温度工况下再现电池特性,证明实验拟合得到的修正特征参数Y值和U值是有效的。其次,基于多相VOF模型和蒸发冷凝Lee模型对热管内部复杂的相变行为分析研究,并基于FADHL文献对相变模型与热阻导热模型进行分析。结果表明:相变模型模拟具有一定的精度,但数值计算成本太高;热管导热系数值的大小需根据热管应用场景来设定。最后,根据构建电池模组物理模型的必要条件,建立自然冷却电池模组A模型与热管式冷却电池模组B模型,并利用修正的ECT耦合模型与内短路滥用模型分别对两种物理模型在正常与内短路滥用工况下进行仿真分析,并探讨多因素对其热(失控)行为的影响。结果表明:热管冷却对维持电池最佳工作温度及良好的温度均一性是十分必要的;采用工质水的热管式冷却电池模组B模型无法阻止热失控电池的进程,仅可以快速降低热失控电池的温度,但可以避免发生热失控扩展现象。

关键词：锂离子电池实验修正热失控 ECT耦合模型热行为仿真热管冷却

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