锂离子电池包热管理系统设计及优化

在汽车总保有量不断增长、化石能源逐渐减少的今天,新能源汽车的发展已经成为了各国以及各大汽车企业所关注的重点领域。动力电池作为电动汽车的主要能源,其性能的优劣直接影响到汽车整车性能的好坏。电动汽车动力电池种类有许多,本文所选用动力电池为锂离子电池。由于锂离子电池自身机制的原因,在工作时将产生大量的热,而过高的工作温度将降低锂离子电池工作性能。因此在锂离子电池包温度达到警戒线时,必须采用一定的散热措施来降低锂离子电池的温度。本文首先介绍了电池包热管理系统的研究背景及意义,给出了目前常用动力电池的类型及特点,并对国内外电池包热管理系统研究现状做了介绍。然后介绍了锂离子电池结构及其化学原理,给出了锂离子电池产热模型,并根据单体锂离子电池1C倍率放电下温度变化曲线,计算出了单体锂离子电池1C倍率放电时的发热功率,发热功率为4W。其次本文进行了空气自然冷却电池包的热特性实验以及热仿真。首先,对锂离子电池包进行3个完整的1C充放电循环,使用温度测试仪记录电池包表面温度变化,并在实验结束后绘制电池包表面温度随时间变化曲线。然后,进行空气自然冷却电池包的热特性热仿真,与实验结果进行对比,得出结论:空气自然冷却电池包的热特性仿真结果与实验基本一致,说明电池包热仿真边界条件设置合理;根据仿真与实验结果,可以知道电池包在空气自然冷却下运行时,温度变化过大,最高温度与最大温差都超出电池包安全运行要求,必须采取额外的冷却措施,以保障电池包安全工作。最后,本文根据电池包结构与冷却要求,设计了电池包热管理系统。首先对热管理系统进行了压阻计算,根据仿真结果,优化了水路结构,使水路压阻降低,总压降减小。然后使用水路优化后的热管理系统与电池包进行了流固耦合热仿真,通过仿真计算,发现相比于铝合金导热板,石墨材料导热板由于其各向异性,有利于均衡不同单体电池间的温度,能有效降低电池包温差。最后,对所设计的电池包热管理系统进行了电池包加热流固耦合热仿真,结果表明该电池包热管理系统能很快地对电池进行加热,使电池可以在规定的工作范围内运行,并且保证了电池包温差在一定范围内。