电动微耕机电池组温度场研究与风冷散热仿真分析

我国丘陵山地面积占全国耕地面积的2/3以上,现阶段地块狭小且分散,不能满足大中型机械进行田间作业和转移的条件,微耕机成为丘陵山区不可缺少的农业机械。蓄电池电动微耕机体积小、重量轻、好操作、振动小而且没有废气污染,在茶园和温室大棚等对环境要求较高的农业作业中优势明显,蓄电池电动微耕机使用电池组提供动力,对其电池组进行热管理对保证其安全性、使用寿命和充放电效率非常重要,尤其面向于南方丘陵山区、耕深较大且需要在夏天工作的蓄电池电动微耕机生热更加严重,若不及时进行散热,不仅会使电动微耕机电池组遭到破坏,还存在着热失控、爆炸等安全隐患,因此对电动微耕机电池组进行散热对增加电动微耕机电池组使用寿命,保证使用者人身财产安全具有重要意义。本文针对已研制出的面向于西南丘陵山区且耕深大于10cm的蓄电池电动微耕机的锂离子电池组,使用理论分析、ANSYS Workbench瞬态热仿真、CFD仿真和实验验证相结合的方法,研究了该锂离子电池组的生热情况,提出了一种主动式风冷散热方案并对其进行了仿真分析,主要工作及结论如下:(1)对单体电池的内阻特性进行了实验测试,得到电池在不同环境温度及不同SOC时的内阻数据,根据实验获取的电池内阻数据计算出电池的热物性参数及生热速率,并在ANSYS Workbench中建立了锂离子单体电池瞬态生热模型,模拟了自然散热时电池在不同放电倍率、不同环境温度下表面温度的变化情况。利用实验分析了单体电池的温升特性,得到锂离子单体电池在不同条件下进行放电时电池表面中心位置处的温度变化,将仿真数据和实验测试数据进行对比得到最大误差为3.3%,表明所建立的单体电池生热模型具有较高的准确性,为电池组生热模型的建立奠定了基础。(2)基于单体电池生热模型建立了电池组的生热模型,在25℃环境温度下使用1C电流放电后测得电池的表面温度为36.613℃,实验得到电池的温度为35.7℃,电池组仿真数据与实验数据对比误差为2.5%,该电池组生热模型能够较好地对电动微耕机电池组的生热情况进行模拟。对电池组在不同放电倍率和不同环境温度下的温升情况进行了分析,电池组以2C电流放电结束后最高温度已达到46.805℃,以1C、2C、3C电流放电结束后电池组温差为5.101℃、8.27℃和11.508℃,最高温度和温度一致性不能满足要求;在0℃、10℃、25℃和40℃环境下以1C电流进行放电时电池组温差分别为9.634℃、7.006℃、5.111℃和4.642℃,随着环境温度的增大而减小。(3)通过田间试验得到了电池组在实际工况下的电流数据,并将该电流数据应用到电池组生热模型,得到电池组在35℃环境下使用实际工作电流进行放电时最高温度为56.805℃,最低温度为48.535℃,不在电池组最佳工作温度范围20℃~40℃范围内,电池组温差为8.27℃大于5℃,温度一致性较差。(4)利用Fluent软件对提出的主动式风冷散热方案进行了瞬态仿真,对入口风速、电池排列方式、电池间距和出入风口相对位置对散热效果的影响进行了研究,结果表明风速为1~2m/s时,随着风速的增大电池组的最高温度和最低温度及温差的变化幅度逐渐减小,温差的降低幅度逐渐增大;当风速为1.5m/s,电池间距为3mm、5mm和7mm时电池的温差为6.836℃、6.002℃和4.081℃,当风速为2m/s,电池间距为3mm、5mm和7mm时,温差分别为5.989℃、5.232℃和3.465℃,增加电池间距对电池组温差有很好的改善作用,低风速时增加电池间距温差降低的幅度大于高风速时增加电池间距温差降低的幅度;在较大电池间距时,增加风速对电池组温差变化的影响小于小间距时风速对电池温差变化的影响;增大电池间距一方面使入风口处风压逐渐减小,节省了风扇所需的电量,但另一方面会使得电池组体积变大,所以应合理设置;当风速在1~2m/s,电池间距在5~7mm之间变化时,电池间距的变化比风速的变化对电池组温度一致性的影响大;入口风速和电池间距对散热效果的影响显著,交错排列和出入风口相对位置对散热效果的影响不明显。(5)根据分析得到电池间距和入口风速为影响电池散热效果的显著因素,设计二元二次回归正交组合设计试验对这两个因素和温差之间的关系进行了试验研究,得到了温差关于电池间距和入口风速的回归方程,利用该回归方程得到了电池组最高温度和温差均满足条件时电池间距和入口风速的取值区间,同时也为电池组的散热优化提供了方法基础。