毕业论文（设计）电动汽车动力锂电池热特性与冷却方式研究.docx

电动汽车动力锂电池热特性与冷却方式研究摘要：本文以磷酸铁锂动力电池为研究对象，介绍了锂离子电池的产热机理和温度特性，设计和组装了 实验系统，并进行了各种工况条件下的充放电实验通过对不同工况下最高、最低温度点位置以及最大温 升、最人温差等参数的分析，研究了电池间距、放电倍率、放电深度、翅片厚度、翅片高度、翅片材料等 因素对电池组温度分布及其变化特性的影响研究结果表明：电池组的最大温升和最大温差均随着放电深 度的增加而升高；恒流放电倍率增大，热管理难度增加；在电池单体间留有一定间隙并不能有效改善电池 组的温度分布；电池间加装金属翅片可显著改善电池组的温度分布，且存在一个最佳翅片高度；在翅片高 度一定的情况下，翅片越厚，热管理效果越好，但电池系统的质量也随之增加；同时，采用导热系数较大 的翅片材料，可显著改善电池组的温度分布关键词：电动汽车；锂离子动力电池；电池热管理；散热翅片0引言rti传统能源汽车产生的资源危机和环境污染FI趋严重，纯电动汽车通过充电设备进行充 电，具有结构简单、低噪音、低价格、无排放等优点，成为快速发展的新能源汽车的代表, 主导了新能源汽车发展的方向⑴纯电动汽车依靠电池进行储能，电池的发展水平标志着纯电动汽车的发展水平，也成为 制约纯电动汽车发展的瓶颈。

电池的优劣和工作坏境直接关系着汽车的续航里程、动力和安 全、使用和寿命等各方面性能⑵由于车辆空间有限，电池模块排列紧密，很容易引起电 池组内热量的堆积，造成其温度超出最佳工作温度区间，严重影响电池的性能甚至会直接导 致电池报废此外，处于不同位置的电池单体对散热条件的要求不尽相同，若不能采取合理 的散热结构对其进行热管理，则会导致电池组不同单体之间的温度有所差界，若差异过大, 则高温处的电池相比低温处老化得快，长时间运行时会导致电池组内部各单体性能差异逐步 加大，一致性受到较大破坏，最终会因高温区域电池寿命的缩短而导致电池组整体性能的下 降以及使用寿命的缩短⑶因此，为了保证电池组的使用寿命和安全性要求，必须将电池组 内各个电池单体的温度和各单体间的温度差异控制在一个合理的温度范围之内因此，利用 实验手段监测电池组在各种使用条件下的温度分布，进行散热方式的探究，対于发展动力电 池热管理系统具有较为重要的指导意义〔铁1锂电池工作原理和产热机理1.1锂电池工作原理LiFePO4电池的工作原理如图1所示电池的正极是橄榄石结构的LiFePOs中间是隔 开正负极的聚合物隔膜，隔膜均有单项通过性，即Li*可以通过而电子&不能通过。

负极由 碳(石墨)组成，通过铜箔与电池负极相连电池内部注有电解质充电时，LT离开正极， 穿过隔膜向负极迁移；放电时，Li*离开负极，穿过隔膜向正极迁移锂离子电池又称摇椅 电池，就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的呵科技部国际合作项目(2013DFG60080)：新能源汽车动力电池高性能化研究Copper negative current collectorAluminium positive cunent coiieaor图1锂离子电池的工作原理1.2锂电池产热机理电池总的生热量主要包括材料内阻生热（焦耳热）和内部复杂的化学反应生热（反应 热）两部分⑹电池内部热源大致分为：（l）SEI膜的热分解反应；（2）嵌锂碳和溶剂的化学反 应；（3）嵌锂碳和氟化粘合剂的化学反应；（4）电解液的分解反应；（5）正极发生的反应；（6）材 料自身的反应；（7）正负极活性物质的熔变；（8）内阻产生的热量［肚］热量的具体计算如所示：QP+0+Q+Q （0-1）其中，Q为锂离子电池总的产热量Q,•为锂离子电池反应中锂离子和电子转移产生的化学反应热0是锂离子电池的极化反应热即截止电压与平衡电压ZI可的电势差产生的热量。

Qs是锂离子电池在充电和放电的过程中，随着锂动力电池中的电解质发生电解反应， 自放电等反应统称为副反应，副反应产生的热量称为副反应热Q•是由锂离子电池的内阻产生的焦耳热⑼2实验设计2. 1实验系统图2为锂电池热特性测试系统结构示意图主要包括电池测试控制系统、数据采集系统、 风道系统、供给电源四部分图3为电池测试系统原理图，其中棕色实线框内部分内置于电 池组测试设备实验前，可通过计算机向测试设备设定充放电方案，实验时测试设备按照设 泄方案对电池组进行充放电，温度采集装置采集并记录电池组内的温度数据，内置于测试设 备内的电压电流采集装置实时对电池组的总电压、总电流、单体电压等数据进行采集，并通 过计算机与测试设备之间的通信模块传输至计算机进行显示和记录Fl o—otcr图2电池测试系统结构图削池控制模块电压采存储損块通信橫块MCU单片机图3电池测试系统原理图电池测试控制系统主要负责电池充放电方案的设定，并按照设定方案对电池进行具 体的充放电操作数据采集系统又分为温度数据采集、电压电流数据采集、空气流量数 据采集等，主要负责对监测并记录所需测量的实验数据风道系统包括空气的泵入、加 热、整流管道以及电池箱内的空气流道。

做强制风冷实验时，依次打开风道部分、充放 电控制部分、数据采集部分即可当进行自然对流实验时，不必采用风道系统，仅需改 变电池箱体结构即可供给电源主要包括流量计所用的直流稳压电源、加热管道所需的 调压器、调节风量所需的调压器等电池测试控制系统：采用宁波拜特测控技术有限公司 生产BTS 200100C1多功能电池测试系统风道系统：由风机、加热管道、延长管道、流量 计等部分组成电压电流数据采集装置由宁波拜特电池测试系统内置，温度数据采集系统包 括热电偶和温度数据显示设备本实验采用T型热电偶，在-100^400C区间内其误差在0.1C 以内实验所用的软包电池为天津捷威LFP77/200/235 ,正极材料为磷酸铁锂，尺寸为 T7.7mmxW180mmxL200mm串联电池组所用的电池单体均为同一批次、同一型号生产的， 且循环次数差异在10次以内，串联初始各个单体均按照同一截止电压标准(2V)放电至电 池处于零电状态，严格确保单体串联时所处的SOC完全相同单体电芯的基本参数如表1 所示表1电池的基本参数尺寸T7.7mm>

4、 加装金属翅片时用以夹紧电池和翅片的扭矩相同，以免因压力不同而对电池组热特 性产生影响；实验所用电池组由6节电池串联而成，主要测定了自然对流条件下，电池组无间隙、 等间隙、加装金属翅片三种结构下的热待性，因此，共设计了四种电池组装配结构：无间隙 紧挨、单体间留有等间距空气间隙、加装不同厚度的纯铜翅片结构、加装不同厚度的纯铝翅 片结构无间隙、等间隙、加装翅片结构如图4所示图4(c)为加装金属翅片的电池组装形 式示意图，图中银灰色电极为正极，材质为铝，棕色为负极，材质为铜在最外侧铜板上贴 有保温层，这是为了保持各单体电池散热条件基本相同，即只通过伸出电池两侧的翅片散热 从根据陈姿伶〔利的模拟结果，本实验选収翅片高度为60mm,因此实验加装的铜板长为 300mm,宽200mm,加装时铜板长度中间线与电池宽度中间线平齐，两侧各伸出电池边缘 60mm,该部分铜板即为散热翅片电宓体/电也務W I电池单体铜板 保題fa/电池单体(a)无间隙(b)等间隙 (c)加装翅片图4电池组装配结构示意图为方便装配，且保证电池组装配后保持直立、间距相等，实验前制作了有机玻璃支撑 底座，底座开有2mm宽的深槽，相邻槽距为单节电池厚度与设定电池间距之和。

无间隙紧 挨时，电池单体间不留空隙；而留有等间距空隙时，为保证两节电池距离处处相等，在电池 的四个角落分别贴有厚度与设定的电池间距相等的垫片6节电池连接完成以后，外部用U 型夹具以合适的扭矩夹紧由电池组侧面看去，无间隙和等间距电池组空隙内情况如图5 所示电池边缘箔片111111111!111111111111!111111•11!1111111•1111111111111111111111111•11111111电池辅助支據底座电池极片垫片助电边箔图5无间隙和等间距装配结构的侧视图本文对每种结构均进行6种不同倍率的放电测试，分别记录实验所测得的温度等数据 实验共采用28组热电偶测电池表面温度，1组热电偶用于测量环境温度实验所有热电偶 位置的分布情况如图6所示图6(a)中的数字即为热电偶编号，上下紧邻的两个数字代表同 一电池表血左右对称的两个热电偶图2-13(b)为单块电池表血热电偶测点与电池边界的距 离因放电时电池单体上部因靠近电极温度较高，下部温度较低，故在高温区和低温区布置 的热电偶相对密集考虑电池组结构的对称性，省去了不必要的热电偶电池组的最高温度 和最低温度分别为28组热电偶的最人值和最小值，最人温升为电池组戢高温度与电池初始 温度之差，最大温差为电池组最高温度与最低温度之差。

a)热电偶位置侧视图 (b)热电偶位置主视图图6电池组内热电偶的分布位置3实验结果及分析电池组在放电过程中，不同单体由于所处的散热条件不同，且同一块电池不同位置生 热速率不同，往往造成电池组内各个测点位置的温度有所差别为达到降低电池组最高温度、 减小电池组内各位置温差的目的，准确找出各种结构下的电池组最高、最低温度点位置显得 尤为重要图7为2C放电时无间隙、4mm等间距和加装1mm铜板两种结构电池组的极值温度点 位置随时间的变动情况，图中两点时间间隔为lOOso• 4mm [h]距■无间隙252010无间隙• 4mm间距♦ 2mm铜板|20102010t/min♦ 2mm银板♦♦♦♦♦♦10 15 20 25 30f/min(a)最高温度点位置(b)最低温度点位置图7电池组最高、最低温度点位置由图7可见，在放电初期，电池组表而温度基本相同，此时所显示的极值温度点并无实 际意义，因此图中零时刻极值温度点位置会有较大波动而当放电进行到一定深度，电池组 最高温度和最低温度位置均比较固定电池单体和电池组的高温区域和低温区域位置如图8 所示就电池单体而言，电极下方区域由于电流密度较大，产热较多，为高温区域；而电池 下部由于电流密度小，产热较少，为低温区域。

就电池组整体而言，最髙温度。