电动汽车用动力LiFePO4电池散热结构的设计.caj

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本论文提出了设计具有强散热能力和低产热量的大容量的动力锂离子电池结构的方法。首先,以广州力柏能源公司量产的3.2V/50Ah磷酸铁锂(LiFePO4)动力电池为研究对象,搭建了动力锂电池热工参数测试实验台架。测量和研究不同放电倍率和外界温度对电池的放电性能和热性能的影响,实验分析结果表明:过高或过低的环境温度都将对电池的输出容量和放电时的电压产生不利的影响;

【作 者】张云云

【学位授予单位】广东工业大学

【学位名称】硕士

【导师姓名】张国庆

【学位年度】2013

 

 

 

【摘 要】锂离子电池因其高比能量、高电压、自放电率低和循环寿命长等优点而被广泛应用于电动汽车中。但动力锂离子电池在其使用过程中会产生大量的热量,一旦热量不能及时扩散就会导致温度急剧增加,进而诱发安全事故。因此必须减少动力锂离子电池在使用过程中的产热和强化其表面的散热,以保证动力锂离子电池使用过程中的安全性。传统的小容量锂离子电池的设计手段已经不再完全能适用于大中型容量的动力锂离子电池的设计中,所以本论文提出了设计具有强散热能力和低产热量的大容量的动力锂离子电池结构的方法。首先,以广州力柏能源公司量产的3.2V/50Ah磷酸铁锂(LiFePO4)动力电池为研究对象,搭建了动力锂电池热工参数测试实验台架。测量和研究不同放电倍率和外界温度对电池的放电性能和热性能的影响,实验分析结果表明:过高或过低的环境温度都将对电池的输出容量和放电时的电压产生不利的影响;放电倍率越大,电池所能放出的容量越少,且电池表面的温度越高。另外,也测量了组成电池材料的热物性参数和测试用电池的密度和质量,作为模拟分析时材料的特性和载荷输入。其次,根据理论分析提出能够减少电池工作过程中的产热和强化表面散热的方法,并对实验室测试用电池提出优化设计方案,主要包括以下两个方面内容:一、外部结构尺寸的优化;通过建立四种不同尺寸的电池模型,分析其在各放电倍率下的热性能,综合比较不同散热结构的散热能力和可用性。二、对经过外部结构优化后的电池建立其内部电极单元的电热耦合模型,研究电极片结构对动力锂离子放电性能和电池产热量的影响。为减少电池设计时投入的成本和周期,及深入的了解电池内部极片上电场和电流密度的分布,本论文采用ANSYS Workbench中的电热耦合模块对电池的热优化结构进行数值研究。为验证数值模拟结果的正确性,比较了不同放电倍率下实验测量所得电池表面的温度分布和模拟所得的电池表面温度一致性,对比结果具有较好的吻合度。最后,针对提出的优化方案进行的模拟结果表明,电极单元上正负极极耳相对放置且宽度增大时,电极片上活性物质的利用率提高,电场分布更均匀,且产热量更少。其中,极耳尺寸为30mm×60mm且正负极极耳两边相对放置的电极单元,电极片上的电压分布和电流密度分布比极耳尺寸是30mm×30mm和30mm×40mm且极耳相邻放置的电极单元的电流密度分布和电压分布更均匀,且在反应过程中的产热量约等于后两者的五分之一。因此,可以通过优化电池外部结构和内部电极片结构的方法,设计出具有强化散热能力和低产热量的动力电池来保证其在使用过程中安全、可靠和高效的运行。

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