电动车辆动力电池组热特性分析及优化设计

为了应对全球范围内的资源匮乏、极端的气候变化和日益严重的环境污染,电动车辆的应用及推广已势在必行。目前,锂电池的各项指标和技术已成为衡量电动车辆性能的关键点。其中,磷酸铁锂电池由于其自身的能量密度较大、充放电的电压较高、自放电率较低等特性,被广泛应用于电动车辆领域。但因为电动车辆的锂电池组在实际使用的过程中,充放电倍率(充放电的电流大小)每时每刻都在发生改变,并且,每个锂电池单体的具体使用情况也不一样。造成了电动车辆的锂电池组内,相同的锂电池单体之间,在单位时间内产生热量的速率不一致,即每个锂电池单体产生的热量大小不一。进而导致电动车辆的锂电池组内的温度分配不均匀,出现温度差异的现象。如果不能及时地找到合理的散热方法及散热结构,可造成整个锂电池组的散热失控,发生爆炸或燃烧的严重后果。综上所述,对锂电池及锂电池组的散热管理成为电动车辆应用的首要课题。风冷散热因为结构简单、易于实现、便于操控等优点,得到广泛的应用,所以,本文采用计算流体力学(CFD)仿真分析的方法对磷酸铁锂电池组的风冷散热效果进行分析研究,提出合理的散热结构并进行优化设计。首先,建立锂电池单体的三维模型,设置模型的物性参数和热性参数,在锂电池单体与外界空气环境接触的表面上施加热辐射和热对流的热载荷,并设置外界空气环境的初始温度为25℃,从而对锂电池单体在不同放电倍率(1.0c-2.0c)下进行温度场的仿真分析。通过研究温度场云图的分布规律,总结锂电池单体在不同放电倍率下的热特性,并对锂电池组进行三维模型的建立,选择自适应的网格划分方法对锂电池组的网格进行划分,为锂电池组温度场的仿真分析做好准备。然后,在1c的放电倍率下,分别对考虑空气间隙和不考虑空气间隙的锂电池组,针对两种工况:1.普通强制风冷2.加强强制风冷,在两种不同的工况下,分别进行温度场的仿真模拟,并对得到的温度场云图进行对比分析。考虑到锂电池组在普通强制风冷及自然风冷条件下,锂电池组的散热问题,提出设计合理的散热结构的要求。为简化散热结构,使散热系统不要过于复杂,进而推出翅片式换热器并引入空气域的概念。最后,选定COMSOL Multiphysics作为CFD仿真模拟软件。分别对影响锂电池组风冷散热效果的翅片式散热结构的:进风速度、翅片数目和单个翅片厚度。采用计算流体力学(CFD)仿真分析方法,以锂电池组的实际散热效果为优化方向,采用正交试验的分析方法对锂电池组风冷散热结构进行优化设计。