A Research on the Affecting Factors of Thermal Safety in Lithium-ion Power Battery

根据锂离子电池的结构和热传导理论,建立了锂离子电池的三维稳态温度场的计算模型,分析了影响锂离子电池热安全性的主要因素.在此基础上,建立了某型号锂离子电池的有限元模型,并计算了不同放电倍率和不同对流系数下的电池三维温度场分布,为电池组温度场分析及其冷却系统设计奠定基础.     

大倍率放电时电动汽车用锂离子电池的热性能

为保证锂离子动力电池安全、可靠和高效的运行,实验研究了其在大倍率放电时的热性能。实验中,对于一款商业电动车用3.2 V、50 Ah锂离子电池,用充放电测试仪和温湿度巡检仪,控制放电倍率为1C~3C(50~150 A)。结果表明:电池放电倍率越大,电池两端工作电压平台越低,电池放电量越小,电池表面的温升率越大。当放电倍率达到3C(150 A)时,电池表面温度超出其安全工作温度,因而,锂离子动力电池在大倍率放电时,需要为其增加散热设备。拟合了一组用于计算不同放电倍率下电池的瞬时产热量的经验公式。这些公式可用于锂离子动力电池的辅助散热设备的设计和选择。     

车用锂离子电池放电区间与容量衰减关系的研究

锂离子电池寿命通常与电极材料、充放电倍率、放电深度、放电区间和使用环境温度等因素有关。本文中针对一款车用的锂离子电池,研究放电区间对其容量衰减的影响,并通过试验测得的电量增量曲线分析电池的衰减机理,明确电池锂离子和电极活性材料的损失均是导致不同放电区间下容量衰减的因素。最后,利用放电曲线重构的方法,定量分析了容量衰减与可用锂离子和正负极活性材料损失量的关系。     

汇流排对电池模组温度与电流均衡性的影响分析和实验研究

对某电动汽车电池模组的发热特性进行了热电耦合数值计算,研究了放电倍率、电流进出方式、汇流排接触面积和电流进出位置等对电池模组温度场和电流密度的影响。结果表明:电流放电倍率对温升和汇流排与电池之间的热交换影响较大,高倍率电流充放工况下电池发热分析应该考虑汇流排电热效应的影响。采用电池充放电测试系统对电池模组在不同放电倍率电流工况下的温升情况进行实验研究,在28.5℃的环境温度下,测得最大温升与热电耦合数值计算结果基本一致,说明了数值模拟可很好预测汇流排的温升特性。     

计及不均匀发热与温度分布的锂离子单电池电化学-热力学耦合三维有限元模型

为预测锂离子电池的内部温度场,应用多孔电极理论,建立了锂离子电池的一维电化学生热模型,同时考虑正负极集流板和电解液的欧姆热,与基于温度场相似准则建立的锂离子单电池三维分层模型耦合,组成锂离子单电池温度场有限元模型。基于模型进行1倍率恒流放电工况下的热力学计算,系统考察了电池温度变化与分布特征,并对比分析了各层不均匀发热率分布情况。仿真结果表明,所建立模型能较准确地预测锂离子电池内部分层结构发热分布和温度场,有助于后续的关键影响因素分析。     

电动车用动力电池热特性对比

动力电池导热系数因其结构复杂性影响具有各向异性。使用热流计法测量了动力电池厚度方向上不同区域的导热系数,并测量了绝热条件下锰酸锂电池(12 Ah)和磷酸铁锂电池(20 Ah)的发热情况,用Bernardi方程计算出电池发热量方程。利用测量出的导热系数及发热量数据对两种电池建立了模型,计算对比了相同环境条件下两种电池在相同放电电流和相同放电倍率情况下的发热情况。结果表明,电池中部与两侧导热系数相差40.5%,相同放电电流和时间条件下小容量电池温升更大,在10 A放电800 s时温差为2.52℃,而相同放电倍率情况下大容量电池温升在2C放电800 s时比小容量电池高13.17℃。     

锂离子动力电池温升特性的研究

介绍了锂离子动力电池的发热机理.基于锂离子动力电池内阻引起的温升特性,建立动力电池传热模型,通过模拟计算得出电池内部温度分布及电池温升随放电倍率变化的规律.最后对锰酸锂电池进行内阻实验,揭示了电池内阻随电池温度和SOC变化的规律.     

基于电化学热耦合模型的电动汽车电池模组热特性研究

为研究电池组的排列与布置方式对电池热特性的影响,本文中以18650锂离子电池为研究对象,建立了单体电池的电化学热力学耦合模型。利用模型仿真和实验测量获得了不同放电倍率时的电池表面温度随放电容量的变化关系,实验数据与仿真数据基本吻合,模型准确。基于单体耦合模型,分析了6×5动力电池模组的不同排列与布置方式下的热特性。结果表明:间距太小或太大均会使平均温度增加,本案例电池间距24 mm时平均温度最低;间距越大,温差越小,温度分布均匀性越好;间距一定,交叉排列散热效果优于对齐排列,且空间利用率更高。电池的排列和间距对电池散热有重要影响,锂离子动力电池组设计过程中应充分考虑。     

多年冻土路基对流换热试验方法

对流换热是多年冻土地区路基对外热交换的重要形式。利用自行开发的热风环境试验机,考虑不同路面材料类型、风速变化、温度梯度3个因素,对影响冻土路基温度场的对流换热状况进行室内模拟试验研究。研究表明：风速、温度梯度、路面材料类型3个因素对于对流换热系数有着交互影响,随着风速与温度梯度的增加,对流换热系数呈上升趋势。沥青路面材料的对流换热系数较水泥路面材料稍大。研究中给出了不同状况下对流换热系数的回归公式,并分别给出青藏高原地区沥青混凝土路面及水泥混凝土路面对流换热系数的推荐值。     

基于GA的车用锂离子电池电化学模型参数辨识

本文中旨在对车用锂离子电池电化学模型进行参数辨识。首先在锂离子电池平均电极模型基础上,利用均匀离散的有限差分法简化电化学模型。基于对模型特性和参数类型的分析,运用遗传算法先后对固相锂离子扩散动力学参数和模型中剩余的参数进行辨识。最终通过多倍率放电实验和NEDC循环工况实验验证了算法的有效性和参数的准确性。结果表明,算法辨识的参数可保证模型输出精度,低倍率放电时单体电压偏差在±0.03V左右。     

考虑轮胎空气耦合传热的轮胎温度场分析

针对目前在轮胎温度场有限元分析中对流换热系数计算方法泛化能力不强的问题,提出了利用CFD方法分析轮胎与空气耦合传热来确定对流换热系数的方法。以12.00R20全钢载重子午线轮胎为研究对象,采用耦合传热方法,对旋转轮胎处于静止空气域时的各种工况进行仿真得到对流换热系数,并应用于轮胎温度场有限元分析中。通过对有限元仿真结果和试验结果的对比,说明了该方法的有效性。     

锂离子电池组散热设计及送风策略

通过实验研究了锂离子电池1C倍率放电,20℃自然对流情况下的温升特性。测得了20℃环境温度下电池的充放电内阻特性,并根据某品牌18650型锂离子电池的物性参数以及实验测得的内阻数据建立了电池单体仿真模型,仿真计算了与实验同工况下的温度分布情况,最大误差4.9%。设计了一种包含480节电池的并行通风空气冷却散热结构,并通过正交试验进行了优化,得到了进出风孔距电池的最小距离1mm,上挡板距离电池的最小距离1mm,下挡板距离电池的最小距离1mm的最优结构,使电池组的最大温升下降了5.71℃,最大温差降低了5.06℃。并基于最优结构给出了120s后每60s改变送风方向的往复送风策略,使电池组即使在40℃、2C放电的恶劣工况下也能够工作在25℃-40℃,电池单体温差5℃以下的工作环境中。     

泡沫铜/石蜡复合相变材料的车用动力锂电池散热分析

为分析泡沫铜/石蜡复合相变材料的车用动力锂电池散热问题,建立了电池生热模型,给出了该复合相变材料在不同孔隙率下的热物性参数值,利用有限元法分析了材料包覆方式、材料厚度、对流换热系数、环境温度等对电池温度的影响。结果表明,四面包覆和双面包覆的复合相变材料比无相变材料的电池温度分别降低了10.36℃和12.56℃,冷却效果明显;增加材料厚度和对流换热系数以及降低周围环境温度,电池温度将降低;当电池表面温度处于相变材料的相变温度区间时,继续增加材料厚度和对流换热系数散热效果不显著;复合相变材料用量不充足时,相变潜热占主导作用,增加孔隙率将使电池温度先增大后减小。     

混凝土箱梁桥的负温差及其效应分析

运用辐射换热、对流换热等相关理论,对箱梁表面的各种热流进行分析,并将各种热流转换成易于加载的对流换热形式,即采用综合对流换热系数和综合大气温度来反映箱梁表面各种热流,在此基础上应用有限元方法对箱梁温度场进行计算,获得了箱梁在降温作用下箱梁温度场的分布规律,与现有规范中的负温差模式进行对比,为箱梁负温度梯度模式的合理确定提供了可靠依据。最后采用空间有限元程序分析了混凝土箱梁桥在骤然降温作用下的效应,为同类型箱梁桥的设计提供参考。     

基于EKF的电动方程式赛车动力电池容量试验研究

以FSEC(Formula Student Electric China)中国大学生电动方程式汽车大赛为背景,基于动力性和续驶里程,对长安大学某型号纯电动方程式赛车电池参数进行匹配设计;基于不同温度及放电倍率条件下的试验数据在Simulink中建立锂离子电池等效电路动态模型;根据实际比赛工况,基于EKF通过Simulink仿真与电池放电试验对比分析,确定电池最佳容量,表明该试验方法确定电池容量的可行性。     

基于安时法的锂离子电池SOC估计实时校正方法CSCD

为减少工业常用荷电状态(SOC)估计方法——安时法的累积误差,提出一种实时校正的锂离子电池SOC估计方法。在0~60℃,放电倍率1 C、2 C、3 C和0.33 C下,进行锂离子电池放电实验,测量了电压、电流、温度,建立了锂离子电池放电数据库。从该库获取上述放电温度、放电倍率范围,SOC值为20%、80%时的开路电压,以此两点引入一条关于电压与SOC的直线。以该直线上某点电压所对应SOC作为修正项,并引入修正因子α,来校正安时法所得剩余电量SOC估计值。与实验值对比,该SOC估计结果的误差小于4%,符合工业需求。     

车用动力电池“呼吸效应”的研究

车用锂离子动力电池在充放电过程中由于电极材料中锂离子的脱出和嵌入而产生的"呼吸效应"受电池材料、环境温度和充放电倍率等的影响较大,且与电池的健康状态有密切关系。本文中为一款车用锂离子电池设计并制造了电池厚度的测试装置,用来研究电池在不同倍率、不同温度下的"呼吸效应"。结果表明,倍率越大,温度越低,则电池的"呼吸效应"越弱。     

电动汽车锂离子电池的生热特性

对锂离子电池生热特性的研究是电动汽车动力电池热管理设计的基础。文章以电动汽车用11A·h电池单体为例,进行有限元建模分析,比较了它在不同环境温度下的生热特性。经过试验验证,测试结果与仿真分析相符合,该电池在环境温度为-20～40℃时以1C放电终止,温升为20℃左右。指出由于该电池推荐工作温度为30～55℃,因此使用时电池外部应配有加热系统;当电池放电倍率始终小于1C时,可不配置强制冷却系统。     

Thermal Model for Square Lithium-ion Battery Pack

首先通过最小二乘法对方形锂离子电池组中单体电池的比热容、流道材料的导热系数和自然冷却条件下的综合换热系数进行了估计;然后根据热边界层理论确定了强制冷却条件下电池冷却流道表面局部综合换热系数的计算式;最后根据电池组的结构特点和冷却方式,建立了电池组的一维瞬态传热模型.该模型能根据电池组当前的环境温度、运行负荷、冷却强度和初始荷电状态实时预测电池组中各单体电池的运行温度.在Arbin试验台架上测量了144V/8A·h方形锂离子电池组在不同运行工况下单体电池的温度分布,并与模型仿真结果进行了对比,结果表明模型仿真的最大误差不超过1℃,满足混合动力系统性能仿真和电池组管理策略优化的精度要求.     

圆柱型锂离子电池组热均衡性研究

首先建立水冷系统布置方案和三维模型,然后对水冷模式下圆柱形锂离子电池18650不同排列方式的冷却效果和热均衡性进行对比分析,最后对电池模组放电过程中不同点的温度进行测试。定义热比来定量描述电池模组热均衡性。仿真分析与试验验证的结果表明,电池模组几何模型和单体数量相同时,错位排列的冷却效果和热均衡性均优于并行排列,1C放电倍率下,错位排列最高温升比并行排列低2.26 K,热均衡性提高33.9%;同一排列方式下电池单体数量越多,模组热均衡性越差,当模组中单体数量由15增加到60时,并行排列热均衡性下降了5.1%,错位排列热均衡性下降6.3%;几何模型和放电倍率对热均衡性影响很小。