车用锂电池复合散热优化设计研究

当下经济与技术发展迅猛,汽车产业尤为突出,但也引起了能源与环境的双重危机。石油、天然气等一次能源消耗过量,温室效应愈发严重,PM2.5指数持高不下,而汽车的尾气排放成为了主要原因。在我国政策的大力支持下,新能源电动汽车逐渐走入市场,不仅减轻了污染物的排放程度,也增强了能量的利用效率。锂离子电池是电动汽车的核心组成部分,在大功率运行时产生的热量若无法及时地散出,会直接影响电池的运行性能及使用寿命,即电池组的平均温度或组内温差较大均有可能引起安全事故。因此,为保证新能源汽车的安全性与可持续运行,设计一种综合性能优异的热管理系统尤为重要。本研究选择空气冷却与相变材料冷却结合的热管理系统,选用磷酸铁锂电池作为研究对象。首先从电池的内部结构、工作原理等方面进行了介绍,通过理解电池的运行机理,阐述了电化学产热原理、列举并测算了锂电池与相变材料的传热过程。建立并验证了磷酸铁锂电池的单体模型与相变材料的热特性模型,本研究在此基础上对纯空气冷却系统进行了参数研究,主要包括电池组的排布间距、旋转角度、放电倍率以及入口风速等参数。通过优化电池组的排布间距与旋转角度等排布参数,空气冷却系统的冷却效率提高了约1/3;通过优化新型排布电池组的放电倍率及入口风速等环境参数,放大了电池组的尾部换热缺陷,更充分地利用了空气冷却方式的能力。为提高新型排布电池组的温度一致性,本研究选择在电池组的尾部添加翅片。通过可行性分析发现,由于流道差异,顺排错流电池组在尾部添加翅片后组内温度一致性得到了明显提高,组内温差由24.5K降低至19.19K,冷却流体流经电池组末排时的流线密度得到增加,冷却能力有所恢复;但叉排错流电池组则没有可观的改善。通过优化顺排错流电池组中翅片的几何参数可得,当翅片的布置密度为15°,厚度为1.5mm时,电池组的热性能最优。完成电池组的局部散热优化后,本研究选择了空气冷却和相变材料结合的冷却系统进行电池组的全局优化。由于纯相变材料热导率较低,故选择石蜡、膨胀石墨与低密度聚乙烯的混合物作为复合相变材料。顺排错流电池组在添加复合相变材料后,放电结束时刻平均温度由304.20K降低至302.36K,组内温差由24.5K降低至11.69K;叉排错流电池组在添加复合相变材料后,放电结束时刻平均温度由303.78K降低至302.02K,组内温差由18.97K降低至10.59K。通过对相变材料的布置方式与复合冷却系统进行性能分析可得,电池外表面添加相变材料与空气冷却组合的热管理系统综合性能最优。综上,空气冷却与相变材料冷却的组合散热方式具有优异的散热效果,对于大功率工作下的新能源电动汽车具有一定积极意义。