1.背景
动力电池即为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池。动力电池作为纯电动汽车的唯一的动力源，其性能受到电池的制备工艺、本身固有属性等相关技术的制约[1]。近几年来，世界各国的政府机构、科研部门以及公司团队都聚焦在电池产业，旨在研发出能量比高、热稳定性好以及能实现快充的电池。锂电池是一种新型绿色高能化学电源，在应用于需要的高能量高功率电源的电子设备和电动玩具方面，显示了非常优越的性能.在中等放电电流以上时，锂铁电池的放电时间可达碱锰电池的6倍左右。
近两年国内动力锂电池发展迅速，随着我国新能源汽车呈井喷式发展，带动了动力锂电池需求快速增长。以2015年为例，全年累计生产新能源汽车37.9万辆，同比增长4倍。根据中国化学与物理电源行业协会以及各公司公告统计数据显示，2015年国内动力电池产量约16吉瓦时，预计今明两年新投产能20吉瓦时，2016年年末将达到32吉瓦时。与电动汽车的火爆相呼应的是，中国已经成为全球第三大动力电池产地。动力锂电池产业链成为2015年募投最为密集的领域，比亚迪、杉杉股份、德尔家居、大东南、赢合科技等上市公司纷纷定增投入锂电池产业链，动力锂电池产能极大扩充。同时，国际动力锂电池巨头也纷纷进军中国。仅在2015年，就有三星SDI在西安建厂、LG化学在南京建厂以及松下在大连建厂等。动力锂电池技术随着科学技术的不断进步也在迅速发展。
2.动力锂电池研究现状
重庆交通大学的皇献清[2]为研究对锂电池组进行热管理。以磷酸铁锂单体(LiFePO4)为研究对象,建立实体三维模型和生热仿真模型,应用仿真软件模拟单体的温度分布。再根据此分析结果,设计磷酸铁锂动力电池模组的冷却结构和箱体结构。采用被动风冷和液冷两种方式,通过CFD软件对电池模组进行散热分析,验证仿真结果是否满足电池模组的设计目标。且设定LiFePO4模组的热管理目标。在复合冷却条件下,分析LiFePO4模组的温升情况。
湖南大学的金钰[3]研究了如何合理设计锂离子动力电池排布结构、通风渠道种类和入口空气流量等参数是提高车用锂离子动力电池系统散热能力的首要关键科学问题。综合利用理论分析、数值模拟以及实验验证的方法,对不同排列方式的16节18650电池组进行了建模,并对比分析了不同通风方案下模型的散热特性,详细分析了4个参数(入口流量、入口面积、进出口偏心度以及风口面积比)对锂离子动力电池系统散热性能的影响。
吉林大学的李辉[4]对电动汽车持续在大负载条件下运行时,动力电池将持续处于大倍率放电状态。此时,电池包内迅速产生大量热量,若没有完善的动力电池热管理系统将热量快速有效地散出,就有可能导致电池热失控、电解液氧化燃烧、甚至爆炸现象的发生。为保证动力电池始终处于较佳的工作温度范围,设计研究了一套锂离子动力电池的热管式散热系统。该散热系统以热管散热为主,同时辅以自然风掠过热管散热翅片进行风冷。很好地解决了动力电池热管理中电池包内温度过高以及电池单体间温差较大的难题,为以后动力电池热管理系统的研究提供了新的思路和方向。
北京航空航天大学航空科学与工程学院的欧阳唐文，张兴娟，杨春信[5]通过建立了锂电池热特性的三维数学模型。将结构复杂的锂电池当成一个整体获取其热物理参数,同时采用分段线性插值的方式考虑比热容、导热系数随电池的SOC(荷电状态)的变化。利用商业CFD软件FLUENT对锂/二氧化硫单体电池进行了三维温度场仿真计算,分析了电池热物理参数的变化、放电电流以及散热环境对电池温度分布的影响。
中南大学冶金与环境学院的杜双龙，赖延清，贾明等[6]通过研究基于COMSOL MULTIPHYSICS平台建立三维热仿真模型,定量分析不同工作电流条件下的温度分布。结果表明:单体及模块最高温度集中在中心区域,温度呈辐射状由内向外逐渐降低。在换热系数20 W/(m2·K)作用下,低于8C倍率放电可使单体电池工作在正常温度范围,而使三并五串电池模块最高温度在正常范围,放电电流应低于5C;在5C倍率下放电结束后,荷电状态(SOC)为0模块中心电池最高温度达到322.88 K,比同倍率绝热条件下单体最高温度仅低2.81 K。
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