电动汽车电池热管理中的温度控制及优化

动力电池是电动汽车核心部件之一,与电动汽车的安全性、可靠性、续驶里程及动力性能等方面密切相关。随着动力电池能量密度的不断提高,动力电池循环寿命和充放电性能受温度影响大等问题也开始凸显,在冬季,夏季及大电流充/放电时尤为严重,因此迫切需要研究和开发新型高效的电池热管理技术。本文对基于液体冷却的电池热管理系统,从单电池、电池模块、热管理系统三个方面进行了研究:首先,本文对圆柱型电池,研究通过测量电池外部温度变化,并根据导热模型,实现对电池中心温度的估计和预测。对二维和一维、内热源和边界条件随时间变化的导热问题建立了模型,并获得了解析解。由于二维模型的解析解过于复杂,将其简化为一维导热问题,并采用级数截断的方法构造其近似解来进行分析,研究了初始条件、热源、热边界条件和热物性参数对电池中心温度变化的影响规律。初始条件对电池中心温度的影响在最初的时候占主导地位,但是随着时间快速衰减。热源项对电池中心温度的影响主要取决于单位体积的产热功率,当电池在大倍率放电时,可能成为影响电池内部温度的主要因素。热边界条件对电池内部温度的影响在最初阶段几乎可以忽略,但是会随时间逐渐占据主导地位。电池初始温度均匀性假设造成的偏差会导致电池中心温度预测的偏差,其影响主要在初始阶段和过渡阶段,模型计算的电池中心温度的准确性与初始温度的估计的偏差大小直接相关,随着时间的推移,模型计算结果的准确性会逐渐恢复。热源和边界条件对电池中心温度的影响,主要在于二者共同决定着电池中心温度的变化趋势和电池内外温差的大小,这个温差可能比电池在稳态时的温差要大很多。其次,提出了一种基于蛇形扁管的电池模块,并对其内部流动与传热进行了数值模拟,研究了扁管的厚度、填充物以及电池尺寸等因素对电池模块最高温度和最大温差的影响,并利用变异系数对电池模块内部流动均匀性进行评价。结果表明,在相同雷诺数下,蛇形扁管的厚度越小,工质的流速越大。相应的对流传热效率更高,电池模块的温度均匀性提高,但压力损失增大。由于蛇形扁管中工质流动消耗的泵功与电池输出电功之比不足百万分之一,完全可以忽略。摩擦系数随雷诺数的增加而减小,二者大约成反比关系,但随着雷诺数的增加,摩擦系数的下降逐渐趋缓,意味着通过增加流速而引起的压力损失将会愈加明显。随着雷诺数的增加,努塞尔数逐渐增大,表示传热增强,但努塞尔数增加的幅度在趋缓,这意味着增加流速对传热性能的提升越来越不明显。增加流速仅在一定范围内有较明显的传热性能提升。为了降低蛇形扁管入口和出口处区域的电池温度,填充具有高导热系数的材料。结果表明,随着填充物导热系数的增大,电池模块的最高温度和电池间最大温差明显降低。随着电池尺寸的增大,电池与蛇形扁管的换热面积增大,电池容量也会相应增大,在同样的输出电功率下,电池的放电倍率会相应降低,最终效果是电池尺寸对电池模块温度分布没有明显的影响。采用变异系数来评价电池模块的流动分布均匀性,结果表明楔形进口联箱呈斜对角布置时,电池模块流动最均匀。再者,提出了具有梯形结构的电池模块,利用数值模拟方法研究了具有60度和90度锥角的梯形电池模块的流动和传热特性,并与传统的矩形电池模块进行了对比。发现梯形电池模块温度均匀性提高的原因有两点:第一是由于流动截面由入口向出口渐缩变化,引起流体流动的加速,增强了对流传热;第二是电池呈梯形布置,在冷却工质冷却能力强的入口布置较多电池,在出口布置较少电池,弥补工质温升导致的冷却能力下降;研究了锥角、电池间隙和工质类型等因素对电池模块内部速度和温度分布的影响。与矩形电池模块相比,锥角为60度和90度的梯形电池模块能够获得更均匀的温度分布。当流量较小时,90度锥角电池模块的温度均匀性最优,但其对流量的变化比较敏感,易出现流动不均匀现象。随着流量增加,60度锥角电池模块的温度均匀性优于90度锥角电池模块。与空气冷却相比,采用水冷时,电池模块的进出口压降可降低一到两个数量级,且温度对电池间隙的变化不敏感,可以通过减小间隙提高紧凑性。采用60度锥角的梯形电池模块能够获得最优的冷却性能。最后,搭建了电池模块流动传热实验系统,分别对锥角为0、60和90度的电池模块进行了实验测试,研究了电池模块结构、产热强度和流量对电池模块流动传热性能的影响,研究了电池模块在稳态和瞬态过程中的最高温度和电池间温差的变化规律。结果表明,越靠近冷却液入口处的电池达到稳态的速度越快。从相邻各排电池间的温差来看,第一排和第二排电池之间的温差最大,后续排数电池间的温差递减。对于矩形电池模块,前排电池的尾部和后排电池头部之间会存在一个滞止区,从而造成后排电池的冷却变差。在相同放电倍率及质量流量下,达到稳态时,梯形电池模块的最大电池温差都优于矩形模块。而在瞬态过程中,梯形电池模块比矩形电池模块更快地趋于稳态。