风冷式动力电池包温度场分析及优化

伴随着时代的发展,能源危机日益严峻,环境污染长久难消,新能源电动汽车的研究对削减污染,提升能源利用率有着积极的作用。电池包作为新能源电动汽车的动力装置的关键部件,需要具有大比能量、比功率,高安全性和长使用寿命的特性,因此新能源电动汽车选用锂离子电池作为动力电池。然而锂离子电池在新能源汽车中工作时常处于高倍率放电的状态,其使用性能、安全性能和寿命由于受到工作时产生的热量引起的温度升高和温度差异的影响都有所降低,严重的甚至起火爆炸引起安全事故。电动汽车电池热管理系统能否将生成的热快速而又有效地散发到外界降低电池组温度和温差受到越发的关注。本文总结了当前国内外新能源电动车的发展情况,了解研究了国内外对电池散热系统的研究。在此基础上采用有限元仿真的数值模拟方法研究电池在恒流放电下的温度场分布并设计了一种基于热管技术的锂离子动力电池散热系统。对不同参数下的温度场变化分析并以此优化系统提高散热系统的温度管理性能。本文的主要研究内容梗概如下:(1)分析锂离子电池的内部结构、工作原理、产热机理和传热机理,选用Bernadi电池生热模型对生热量进行分析,明确了电池内阻和温熵系数关乎生热速率,需要通过Peak Power和HPPC试验测量电池的参数获得内阻与温熵系数和电池SOC状态之间的关系曲线。(2)构建锂电池热模型,建立有限元仿真模型。以加权平均法计算锂电池的物性参数,依照生热速率模型和实验所得数据,编写单体电池的生热速率的UDF,使用fluent软件仿真模拟自然对流状态下电池单体随SOC和温度变化而生热速率变化的1C倍率放电的温度场。实验表明,电池单体的温度超过了电池最佳工作温度范围,单体各部分的温差较大。据此推断电池成组、成包应用时,应当设计散热系统以确保电池的性能。(3)设计热管式电池热管理机构,采用计算流体动力学(CFD)方法,对热管在不同参数(工质、充液率、加热功率、冷凝段长度)下的传热性能进行仿真模拟,并研究热管参数对电池组的温度场温升和温差的影响,考量电池组温升和温差两个参数进行优选,获得最优组合。(4)针对最优参数下的热管式散热系统,通过CFD仿真模拟自然对流状态下电池包1C放电,分析电池包的温度场分布。本文设计的热管式电池管理系统,解决了动力电池散热系统中电池温升过高、单体间温差过大的问题,为热管技术在动力电池散热系统中的应用提供设计思路。