锂离子电池组不一致性及热管理的模拟研究

锂离子电池组是有望在新能源汽车、智能电网等领域中大规模应用的储能装置之一，但目前仍有许多问题亟待解决。其中，单电池参数的不一致性是影响电池组使用寿命的关键因素，热管理是保证电池组安全运行的重要手段，对两者的深入研究有助于电池组在各领域的应用。 以某商业化的磷酸铁锂电池为样品，我们建立了单电池等效电路模型。该模型考虑了电池的阻抗特性随荷电状态及温度的变化，并考虑了开路电压的滞后效应。因此，在保持等效电路模型计算快捷这一优点的同时，该模型在较宽的温度和倍率范围内都具有很高的模拟精度。这一模型是后续建立电池组模型以分析不一致性影响的基础。 我们模拟了采用不同连接方式的电池组在不一致性影响下的不同表现，并选出了一个合适的连接成组方式以尽量避免不一致性的不利影响。对采用先串后并与先并后串这两种连接方式的电池组的模拟研究表明，在相同程度的不一致性影响下，前者的续航能力更弱，但循环寿命更长。考虑电池组续航与循环寿命之间的平衡，我们选择了一种新的电池连接成组方式，即单电池先串联成电池单元、电池单元再并联成电池模块、电池模块最后串联成电池组。该方式有利于避免不一致性的不利影响。 通过对一个10串10并电池组的模拟，我们阐明了电池组内的温度分布对其性能与循环寿命的影响。平均温度越低，温度不均匀程度越高，电池组内单电池放电深度的不一致性越高；平均温度越高，温度不均匀程度越高，电池组循环寿命越短。值得注意的是，不均匀的温度分布会导致并联支路间电流分配不均，从而恶化单电池老化速率的一致性。利用该模型，我们对电池组温控目标进行了讨论。结果表明，对于一个连续的充放电循环过程，电池组的整体温度应当控制在20°C，而组内最大允许温差可放宽至10°C。 在电池组热管理方面，我们提出了一种对并行式空冷电池组内部的流场与温度场进行快捷估算的方法。该方法由流动阻力网络模型和暂态传热模型组成，避免了计算流体动力学方法用于模拟大型电池组时计算量过大的问题，同时保证了很高的估算精度。利用这一方法，我们考察了不均匀的流场对电池组内温度均匀性的影响，并以提高温度均匀性为目标，对空冷系统的结构参数进行了讨论，给出了一个可行的参数配置方案。