电动微耕机锂电池组热特性的研究

分类：论文范文 发表时间：2020-04-23 09:14

　　摘要:以单体锂电池组成的电池组作为能量源的电动微耕机，其续航、寿命及安全性与电池组工作时的最高温度、最大温差紧密相关。为此，对一款新研发的耕深可达10cm的电动微耕机的电池组建立了仿真模型，并以电池组的最高温度及最大温差作为电池组热特性的评估参数，仿真分析了放电倍率、电池间隙及环境温度对电池组热特性的影响;通过田间试验测得耕作时的放电电流，并以此电流值仿真分析了电池组的热特性。结果表明:放电倍率及环境温度对电动微耕机电池组的热特性影响较大，电池间隙对电动微耕机电池组的热特性影响相对较小;环境温度为35℃时，以实际耕作电流值放电1700s，电池组最高温度为54．615℃，最大温差为9．741℃，远超锂电池适宜工作的温度上限40℃及温差上限5℃。因此，必须对电池组做出调整。该研究可为电动微耕机电池组热特性的分析及散热系统的设计提供参考。

　　关键词:电动微耕机;电池组;热特性;仿真

　　0引言

　　由单体锂电池组成的电池组工作时的最高温度、最大温差对其容量、放电效率、循环寿命及安全性均有重要影响。相关研究显示，电池工作温度超过40℃以后，温度每上升10℃，电池寿命将降低至原来的1/2［1］;当温度达到85℃时，锂电池开始热失控过程［2］，严重时会引起电池起火甚至爆炸，直接威胁使用者的安全。单体电池间温度分布不均会导致各电池电压、内阻和容量不一致［3］，从而引起电池放电深度及衰减速度不同，最终导致电池组提前失效［4］。以锂电池组作为能源的电动微耕机作业过程中，由于各单体电池负荷不均及换热条件不同，电池之间必然存在温度差异。当耕深较大时，由于输出扭矩较大，电池温度及电池间温差问题更为突出。因此，针对电动微耕机作业状态下电池组放电、生热及环境因素等条件，以电池组的最高温度及最大温差为评估参数，研究电动微耕机电池组的热特性十分必要。

　　1模型建立及验证

　　该电动微耕机通过电机带动旋耕刀辊进行作业，样机如图1所示，参数如表1所示。

　　电池箱位于电动微耕机前部，由箱体外壳、电池组、电池支撑架、垫片及隔板等部件组成，如图2所示。电池组由170枚BAK公司生产的18650单体锂电池组成，其下层电池为10×10布置，上层电池为10×7布置，各行、各列相邻电池间隔为5mm;每17枚电池串联，10组电池并联;各单体电池的标称容量为2150mAh，标称电压为3．6V，体积为17553mm3。

　　2电池组放电热特性仿真研究

　　电动微耕机作业时，其自身运动能加速电池箱表面空气流动增强换热能力，但田间耕作行进速度缓慢(0．1～0．3m/s)，换热能力提升有限，因此不考其自身运动对电池组散热的影响;作业参数(如耕深、耕宽)及土壤参数决定放电电流大小，影响电池生热速率;环境温度及电池间隙影响散热速率。因此，选取放电倍率、电池间隙、环境温度为变量，分析电池组的热特性。将不同工况列表说明并编号，如表4所示。经初步测试，电动微耕机作业时平均放电倍率约为2C，因此设置放电倍率变量为1、2、3C;5mm为电池组实际电池间隔，考虑电池箱整体紧凑合理，设置电池间隙变量为3、5、7mm;一般定义常温为25℃，《防暑降温措施管理办法》中规定的“高温天气”下限为35℃，因此设置环境温度变量为25、30、35℃。工况1、2、3仅放电倍率不同，工况1、4、5仅电池间隙不同，工况1、6、7仅环境温度不同。?

　　3实际工作条件下电池组温度仿真

　　为分析实际工况下电池组的热特性，对电动微耕机田间耕作放电电流进行测试。测试设备有:电动微耕机;APN1211E－U功率分析仪，电压量程为300V，电流量程为40A;SC900土壤坚实度仪，深度量程为450mm，压力量程为7000kPa。试验田为重庆沙坪坝区的一块普通农田，实测其土壤含水率为21%，土壤0～150mm平均坚实度为0．453MPa。测试现场如图10所示。

　　4结论

　　1)建立了电动微耕机电池箱的仿真模型，并验证了该模型的合理性。基于此模型，仿真分析了不同放电倍率、电池间隙及环境温度下电池组的热特性。仿真结果表明:放电倍率及环境温度对电动微耕机电池组的热特性影响较大，电池间隙对电动微耕机电池组的热特性影响相对较小。

　　2)进行了田间试验，测得实际耕作工况下的放电电流，并以此电流值仿真分析电池组的热特性。结果表明:在环境温度35℃时，放电结束后电池组最高温度为54．615℃，最大温差为9．741℃。由于本文未考虑电动微耕机作业时的运动对电池组散热的影响，仿真结果可能稍高于实际温度。由于仿真结果远超出锂电池适宜工作的温度上限及温差上限，因此仿真结果仍具有参考意义。

　　参考文献:

　　［1］李逢兵，谢开贵，张雪松，等．基于寿命量化的混合储能系统协调控制参数优化［J］．电力系统自动化，2014，38(1):1－5．

　　［2］刘博渊．纯电动客车动力电池热管理系统开发［D］．长春:吉林大学，2016．

　　［3］MahamudＲ，ParkC．ＲeciprocatingairflowforLi－ionbatterythermalmanagementtoimprovetemperatureuniformity［J］．JournalofPowerSources，2011，196(13):5685－5696．

　　［4］王震坡，孙逢春，林程．不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析［J］．北京理工大学学报，2006(7):577－580．

　　［5］杜双龙，赖延清，贾明，等．圆柱锂离子动力电池电热特性仿真［J］．中国有色金属学报，2014，24(7):1823－1830．

　　［6］杨洋．纯电动汽车锂离子电池组液冷散热系统研究［D］．广州:华南理工大学，2018．

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