利用電熱模擬提高電池設(shè)計

摘要
在實際行駛條件下，溫度大大影響電動和混合動力汽車電池的性能和壽命，因此人們越來越注意對電池的熱管理。先進的電化學(xué)模型和有限元工具可用于電池的熱性能預(yù)測，但都有其局限性。在這項研究中，我們描述用實際的幾何形狀、材料特性、負荷、邊界條件來預(yù)測熱性能的一個單元或單元格的電-熱有限元方法。為了表明這一過程，我們模擬了在豐田Prius上使用的兩代松下棱柱鎳金屬氫化物模塊的熱性能。該模型表明為什么新一代松下模塊具有更好的熱性能。從兩個電池恒流放電得到的熱相圖表明該模型預(yù)測的實驗趨勢相當(dāng)不錯。這些工具將會大大的使鋰電池和其他先進的電池性能更好，并且會在將來成為成本效益的替代方法。該模型已經(jīng)被用來提高圓柱形鋰電池的熱性能。
關(guān)鍵詞：HEV（混合動力汽車）、散熱管理、鎳金屬氫化物、電池模型、仿真

1、介紹
溫度極大的影響電池的性能，因此在混合動力汽車實際行駛條件下電池的熱控制是很有必要的。近年來，汽車制造商和他們的電池供應(yīng)商特別是考慮到產(chǎn)品的生命周期和相關(guān)的保修成本越來越注意電池的熱管理。一個熱量管理系統(tǒng)應(yīng)該涉及到從“簡單的能量平衡方程”到更高級的“先進的熱和流體動力學(xué)模型的計算”。然而，這管理系統(tǒng)的基本性能是由每一個電池或模塊的熱設(shè)計決定的。因此，最重要的是設(shè)計好每一個電池或模塊本身良好的熱性能。先進的電化學(xué)模型可預(yù)測電化學(xué)電池[1和2]的性能，但是他們不能捕捉到實際的電池或模塊硬件（周邊情況、終端輸出、連接器、互連、安全閥、流量控制器、密封等）之間的傳熱問題。由于電流的硬件組成，一些有限元模型能夠捕捉到熱量的幾何分布[3和4]，但不能捕捉到熱量產(chǎn)生的位置。在過去，我們利用商業(yè)的有限元分析軟件ANSYS，只得出了圖3。產(chǎn)生的熱量由純電阻產(chǎn)生的熱和電化學(xué)反應(yīng)的焓變兩方面組成。
在這項研究中，我們聚焦在整合電池的電力方面和模塊（包括電池硬件）為一個有限元分析模型。我們的目標是：（1）完善電熱過程或模型來預(yù)測電池和模塊的熱性能；（2)利用模型預(yù)測基線設(shè)計（如2001年松下鎳金屬氫化物[鎳氫電池]模塊）的熱性能和與下一代設(shè)計（2004年松下鎳氫電池模塊）的熱性能進行比較；（3）在放電條件下比較預(yù)測結(jié)果和紅外成像模塊。
2、方法