某新能源商用车动力电池热管理分析与改进设计

近年来,随着人们对环境的重视,电动汽车得到了快速发展。现阶段电动汽车的发展主要受到电池技术的制约。锂电池作为电动汽车主要动力来源,具有工作电压高、比能量高、寿命长、无污染的优点。但是其性能表现对温度比较敏感。在低温环境下,锂电池化学反应速率下降,锂电池的容量明显降低导致电动汽车续航里程下降;在高温环境下,电池内阻上升导致电池的放电电压下降,电池工作效率下降。甚至,温度过高引发电池热失控,造成安全事故。因此,合理的电池热管理十分重要。本文的主要研究内容如下:首先研究了电池工作过程中的热行为,主要包括产热、导热、对流换热和热辐射。建立电池的简化模型,并对电池进行循环充放电温升仿真和实验,对比实验和仿真结果,验证了电池模型具有较好的准确性。再分别对单体电池在不同放电倍率、不同环境温度下的散热情况进行CFD仿真。结果表明,常温下,电池以最大可持续放电电流(2.5C)完全放电后温度为54.74℃。当环境温度超过11.71℃时,电池以2.5C电流完全放电将超过40℃。原电池箱内的电池PACK是由98个单体电池并联组成,采用自然风冷的热管理方式,在Fluent里对原PACK在25℃下以2.5C电流完全放电进行CFD仿真。结果表明原PACK内电池的最高温度达到59.37℃,温差达8.2℃。将原PACK改进成单通道串联液冷PACK,在相同工况下仿真得到电池的最高温度只有32.61℃,温差为4.83℃。分析表明串联通道内由于前后冷却液温差过大导致PACK内电池温差过大,再分别将PACK改进成多通道串联PACK和多通道并联PACK。通过调整并联PACK的压力角为2.0°,控制PACK内电池最高温度为27.24℃,温差不超过0.24℃。最终结合电池箱几何尺寸,对电池箱内PACK和冷却液线路进行合理布局。对四个电池PACK组成的Module进行冷却液流动特性分析,并对电池Module内流动均匀性较差的PACK进行温度场仿真,验证PACK内电池满足温度要求,进而间接证明了电池箱内PACK及冷却液线路排布的合理性。