基于光纤测温技术的动力电池组充放电温度特性研究

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在全球节能减排的大环境下,新能源电动车得到了快速的发展。由于动力锂电池具有能量密度高、可大倍率放电等特点,当前电动车普遍使用其作为动力源。以特斯拉Roadster为例,其电池组由6831节18650圆柱形锂电池组成,锂电池组整体性能受单电池一致性影响很大,如果电池组中某节电池性能衰减,会影响整个电池组的性能和寿命。在充放电过程中,性能衰减的单电池往往会出现温度异常的现象,严重时会引发热失控甚至车辆自燃。要避免这种情况,理想的做法是对电池组中每一节电池的温度进行监测,从而挑选出性能衰减的电池进行及时更换。但如何对数千节电池同时进行温度监测是一个难题,如果使用热电偶,需要在每一节电池上安装探头,但热电偶本身的体积较大,在每一节电池上安装会影响电池组的散热,如果使用红外热成像又很难准确得到具体某一节电池的温度。针对上述问题,本文提出使用光纤测温技术来对锂电池组的每节电池进行温度监测。具体方法是在一根光纤表面刻蚀多个Bragg光栅温度传感器,当使用激光通过该光纤时,Bragg光栅会反射特定中心波长的光,通过该反射光中心波长的改变量就能得到传感器表面温度的变化量。光纤直径一般在15μm到50μm之间,体积很小,基本不影响电池组的散热,通过单根光纤分别缠绕电池组的每一节电池,便可以测量每一节电池在充放电时的温度,这样就可以找出温度异常的电池并进行更换以延长电池组的使用寿命。本文主要研究内容如下:(1)首先通过实验对10节比克18650动力锂电池的充放电特性(容量特性、内阻特性、极化特性)做了研究和分析。(2)其次对18650锂电池的产热机理进行了分析,通过恒温箱实验计算得到了10节比克电池的熵热系数并以此计算了电池理论充放电产热功率,从而推测了电池充放电的温度变化情况。(3)然后利用分布式光纤温度测量仪先研究了18650单电池的充放电温度特性。之后搭建了5串2并的动力锂电池组,研究了电池组在多种条件下充放电时的温度特性,验证了光纤测温技术在锂电池组实验中的适用性。(4)最后在COMSOL中建立了5串2并的电池组模型并进行了放电温度仿真,比较了仿真结果与实验结果的异同,同时还通过仿真得到了电池内部的温度特性。
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