电动叉车动力电池的充放电热特性研究及热管理系统设计

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近年来,环境污染问题和能源消耗问题日益严峻,新能源行业越来越受到社会的关注,电动叉车作为新能源行业的其中之一,在工业上的应用非常广泛。电动叉车通常是以动力电池组作为动力来源,其中锂离子动力电池组以其高能量密度和快速充电模式的特点,逐步代替了电动叉车原本的铅酸蓄电池组。但是锂离子电池对工作温度要求非常严苛,其性能会随工作温度的变化而发生改变。如果温度过高、过低或者电池组内部的温度分布不均匀都会在一定程度上影响电池的工作效率,甚至有可能引发电池自燃或爆炸等安全事故。因此,以锂离子电池为动力的汽车一般都会配备电池组热管理系统,对锂离子电池组的温度进行有效的管控,这对于电池组的高效运行和安全管理都起到了非常重要的作用。本文针对新加坡淡马锡理工学院清洁能源研究所的电动叉车电池管理系统(BMS)开发项目中所使用的磷酸铁锂电池,采用理论分析、数值模拟和实验测试相结合的研究方法,对单体锂离子电池的充放电温度特性进行研究,并结合电动叉车动力电池组的使用要求,设计了一种新型电池热管理系统及控制策略,对系统中各关键部件给出了相应的设计要求,为后续对该系统进行深入研究和开发提供了理论依据。本文的主要研究内容如下:(1)通过参考国内外的相关文献,分析了磷酸铁锂电池的内部结构和发热机理,对锂离子电池的性能参数进行了深入了解和分析,为后续建立单体电池仿真模型和实验测试提供了理论依据。(2)建立单体磷酸铁锂电池电化学-热仿真模型,研究了磷酸铁锂电池在不同环境温度和放电倍率下充放电过程中的电压曲线及电池温升情况。(3)搭建单体磷酸铁锂电池充放电实验平台,通过实验测试获得了不同环境温度和放电倍率下电池的充放电电压及温度数据,并将实验结果与仿真分析结果进行对比,验证了单体磷酸铁锂电池电化学-热仿真模型的正确性。(4)根据电动叉车动力电池组的热管理系统设计要求,提出了电动叉车电池热管理系统设计方案,对该方案中的关键部件提出了具体的设计要求;此外,还利用三维建模软件建立了电池组液冷板的结构模型,为电池组液冷板的设计提供参考。
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