电动微耕机电池组散热系统设计与研究

我国丘陵、山地占全国耕地总面积的2/3以上,微耕机是现阶段不可或缺的农业机械。电动微耕机,因其轻便灵活、工作过程振动小、噪声低、无废气排放等优点,有着比内燃机微耕机更广阔的应用前景。锂离子电池组是本文所研究电动微耕机的唯一能量源,其续航、寿命、安全性与温度紧密相关。电动微耕机田间耕作过程中锂离子电池产热明显,电池组最高温度可达70℃,远超锂离子电池适宜工作温度上限40℃,如果不及时散热及温度均衡,很容易引起电池组内部的热量堆积、单体电池间不一致性增大甚至热失控等问题,导致电源系统出现故障、电池容量衰减过快以及安全事故等不良状况发生。但目前电动微耕机电池组散热系统的研究还极少,因此针对电动微耕机耕作状态下电池箱放电、生热、环境因素等具体条件,开发适宜、合理、有效的电动微耕机电池组散热系统十分必要。本文以实验和仿真相结合的方法针对一款电动微耕机实际工作条件,研究了满足电动微耕机锂离子电池组散热要求的被动液冷散热系统。首先,根据锂离子电池反应原理以及产热机理,对电池热特性进行分析,建立锂离子电池热效应数值模型,并对其关键参数进行计算。通过电池组室内放电实验对所建立数值模型及关键参数设置的准确性进行验证,结果表明,用所建立仿真模型对电池组温度场仿真,在同一测试位置,与电池组室内放电实验数据对比,所得仿真温度结果误差小于5.3%。然后研究了放电倍率、电池间隙、环境温度等因素对电池组温度场分布的影响作用,放电倍率及环境温度对电动微耕机电池组温度分布的影响显著。其次,为保障电动微耕机电池组工作在适宜的温度区间,田间试验测得电动微耕机实际耕作时电池组放电电流数据,分析了电动微耕机电池组在此情况下的温度场分布。结果表明,环境温度35℃条件下,电池组在电动微耕机快挡正常耕作放电结束后,电池最高温度可达到55.223℃,最大温差7.957℃,远超过锂离子电池适宜工作温度区间上限。再次,针对电动微耕机实际耕作环境,结合电动微耕机散热要求,设计了一种铝隔板和铝制散热翅片配合散热的单介质被动散热系统,仿真研究了其散热效果,开展了铝导热腔壁厚对被动散热系统散热性能影响的分析,所设计单介质被动散热系统使简化电池组最高温度从自然对流散热时的54.615℃下降至45.035℃,最大温差由9.741℃下降至2.757℃,散热效果远优于自然对流。然后,为进一步加强散热效果的同时降低散热系统重量,提出铝制导热腔填充导热液的固液双介质散热方案,通过仿真研究了25%、50%、75%、100%四种充液比下固液双介质散热方案的散热性能。结果表明,在未考虑振动作用条件下,固液双介质散热方案未能进一步提高系统散热性能,但在相同散热性能条件下,0.5mm导热腔加100%充液比导热液体重量为333.08g,仅为铝制导热板重量38.83%,大大降低了散热系统重量。最后,结合流体自由液面在外界激励下晃荡的相关理论,分析了在电动微耕机耕作振动作用下导热腔内液体运动强化系统热交换能力的过程,试验测得田间耕作状态下电动微耕机电池组处振动信号后,通过仿真研究了振动作用下被动散热系统散热效果。结果表明,电动微耕机电池组处振动低频分量最大加速度幅值大于10m/s~2,振动具有较大能量,能够驱动所设计被动液冷系统的导热板内液体形成大幅度晃荡。所设计电动微耕机电池组被动散热系统在不外接动力设备情况下,应用外界激励作用下自由液面晃荡的原理,利用电动微耕机自身振动驱动被动散热系统内导热液,强化了系统散热能力,使电动微耕机电池组在环境温度35℃条件下,以耕作电流放电结束后,电池组内最高温度为39.4℃,最大温差为2.7℃,满足了电动微耕机的散热要求。