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锂离子动力电池热管理系统关键技术探析

   次浏览   上海机动车检测认证技术研究中心有限公司   2021-03-03

摘要:目前,作为应用最为广泛的动力电池,锂离子电池本身的性能会受到温度的影响。为了对锂离子动力电池的热管理有清晰的了解,文章在阐述锂离子电池工作原理的基础上,对于锂离子动动电池热管理系统的关键技术进行分析,希望可以对其有深入的探讨。

前言

一般来说,电池本身的温度变化会对电池的安全性、性能、寿命等造成较大的影响。所以,在特定的环境之下,研究温度变化的特性,并且通过电池温度合理有效的控制,利用关键技术的分析,其本身就具有重要的现实意义。

1 锂离子电池的工作原理及生热基本理论

基于本质的分析,在电化学电池中囊括了电极两个以及对应的电解质容器。一旦无源电路与两个电极相互的联合,就会有电流存在于电池内部,通过电路就会出现放电。从化学的角度来进行分析,通过还原和氧化反应之后就会产生电流。在实施放电的过程中,当电子接收到外部电路的正极,通过化学还原反应之后,其电极重量就会减轻。与此同时,因为被氧化的作用,负电极就会朝着外部电路释放电子。而在电池的内部,经过离子流经电解质之后就可以完成电流回路的要求。需要针对电池做好充电处理,让实际的外部电路电压要比电池端电压高,这样就会让相反的电流经过电池,这样就会让氧化还原反应出现逆转[1]
在实施电池热量管理中利用热管理系统来实现,实际上,就可以电池生热量的获取,为了能够对电池生热量加以估计,还需要对实际运行阶段的电池电流加以计算。通过电池生热量的不算,这样就可以实现系统的热量以及通风散热情况合理有效的设计,这样就可以确保电池工作始终能够处于一个相对稳定的温度范围之中。

2 锂离子动力电池热管理系统关键技术

针对锂离子动力电池热管理系统关键技术加以分析,本章节选择单体电池或者模组的电热特性仿真进行分析。
就目前的情况分析,针对商用的锂离子动力电池,其主要是按照电芯的封装工艺,将其划分为硬壳和软包,硬壳主要是基于外形划分为方形与圆柱形,但是圆柱形本身占据的体积较小、串并联方案多样化、容易制造与存储[2]
图1 不同放电倍率下单体温度变化
基于CAE技术的使用,对于单体电池或者模组电热特性进行仿真模拟。使用CAE技术之后,通过三维热仿真模型的利用,这样就可以对不同工作电流条件下的情况进行分析,从而了解其对应的实际分布情况。为了可以实现不同电流之下的单体电池实际热效应进行分析,就需要考虑到不同倍率下的单体放电处理,其实际的温度变化情况见图1所示。通过图1可以清楚的了解到,在处于8C的程度上,其本身的倍率电池温度处于直线的上升趋势。这主要是因为在当前的高倍率之下,电池的内部会产生较高的热效率,并且对于外部的对流偏小,导致其生热率就要比散热率大很多,虽然在不断的积累热量,但是也会不断的升高其单体中心位置的实际温度。当处于1C的放电条件之下,所以,其单位时间之中的电信本身产热偏小,在1C的放电条件之下,由于本身的产热偏小,所以,生热量就会直接散热到周围的环境中去,让其本身可以处于一个热平衡的状态之下,在完成放电之后,就会减小其温度的升幅。
图2 仿真温度场
在完成在5C倍率放电后,实际的温度分布见图2所示,其整体的温度分布情况如下:在(a)当中,可以将单体内部温度分布情况清楚的观察,并且去单体的YOZ截面,见图(b)所示。通过下图2可以看出,单体的中心区域温度最高,主要是因为对流换热,所以,其本身的温度偏低,越是靠近与两端,其本身带来的导热影响就会越明显。
针对电池模块的具体分析,在不同倍率电流放电的过程中,热效应和温度分布见图3所示。基于图3的实际分析可以看出,在模组的中心部位上出现了不同倍率电流放电温度的最高区域,并且其实际的温度分布规律也是一致的。
图3 温度分布
基于CAE技术来进行仿真模拟的处理,这样就可以了解实际的温度分布情况,这样就可以实现针对性的优化设计,就可以提供可靠的理论引导[3]

3 结语

总而言之,对于现阶段的新能源汽车而言,锂离子动力电池作为其重要的组成构件,在最近几年国家政策的合理引导下,在市场发展的有力推动下,随着新能源汽车一起,也进入到高速发展的阶段。在电池组性能中,动力电池管理系统作为其重要的组成部分,其关键技术的研究就成为重中之重。所以,希望通过本文的研究,可以对锂离子动力电池热管理系统关键技术有所认识。
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