电动汽车锂电池液冷PCM复合热管理研究

随着汽车产业的迅速发展,汽车排放的尾气成为空气污染的主要来源,而新能源汽车作为新型的产业,在节约能源和尾气排放方面有很大的优势。锂离子电池作为当前最重要的电化学储能元件在新能源汽车领域得到了广泛应用。但锂离子电池工作过程中发热严重,会造成容量衰减、寿命减少以及热失控带来的火灾、爆炸等问题。因此需要一个良好的热管理系统以保障电池在安全温度范围内工作。本文主要做了以下几方面的工作:(1)分析了锂离子电池工作原理和特点,阐述了电池的生热和传热机理,并通过实验测试了环境温度为40℃时电池的内阻。实验结果表明,内阻会跟着放电深度的增大而变大。最后依据实验得到的数据,计算得到各材料的物性参数,编制了UDF程序,为后续章节的仿真计算提供可靠的依据。(2)在不同倍率放电条件下,对自然对流的单体锂离子电池进行生热仿真模拟。发现,该电池峰值温度大于电池最大安全工作温度,而且电池单体不同位置之间的温差也较大。如果单体电池应用于电池组时,可想而知温差会进一步加剧,针对这一情况设计了基于石蜡相变材料的热管理系统。运用FLUENT仿真分析了环境温度为40℃时,不同充放电倍率下电池组的温度分布,结果表明电池峰值温度在电池的最佳温度范围内,但单体电池之间温差相对较大。(3)运用相变材料和液冷复合的冷却方法设计热管理系统,考虑到相变材料的孔隙率、液体冷却板的厚度、冷却剂流速、冷却剂的种类以及放电倍率对电池组温度场的影响,为使该电池组热管理系统散热性能达到最优,设计了5因素3水平正交试验,对该热管理系统进行温度场仿真模拟得到最优参数组合。对优化方案进行进一步散热效果的仿真分析,结果表明电池组散热系统散热效果显著提升。(4)将优化后的电池组结构运用于电池包模型,将得到的最优参数组合应用于电池包的散热分析,仿真分析了2C倍率放电条件下电池包散热情况。结果显示,所用相变材料和液冷复合散热方式能够将电池温度控制在安全工作范围内,但电池温度分布不够均匀。通过改变液冷板的冷却液进出口顺序来进一步改善这一情况,分别研究了在2C倍率放电情况下,三种不同冷却液出入口顺序对电池包散热系统的影响得到最优的出入口排布方式。最后考虑到电池包温度分布不均和中心区域温度高,改变了管道布置并在中间加入一层冷却板,研究了2C倍率放电情况下的电池包散热情况,该系统能够将电池温度控制在安全范围内且温度分布均匀。