基于电—热耦合模型的车用锂离子电池组液冷散热仿真分析

随着社会的发展,全球机动车保有量的急速上升,能源的需求与日俱增;能源短缺与环境污染的问题随之成为当今社会关注的焦点,锂离子电池正是在这种局势下孕育而生。锂离子电池作为电动汽车的动力源,工作电压高、能量密度大、循环性能好、无污染、无记忆效应是其最突出的优点。由于电池在电动汽车上的布置都是以串并联形式组成电池组,多个电池组组成一个大的电池包;电池在电池包中排列紧密,且处于相对封闭状态,电池放电时产生大量的热,电池在这种散热不良的状态极易产生热失控甚至着火、爆炸等现象。因此,设计一款安全,稳定、高效的电池散热系统至关重要。本文对电池的生热机理研究现状及电池热管理技术研究现状进行了深入探讨。目前生热模型主要集中在电化学-热耦合模型的研究上,电-热耦合模型的研究相对较少,且电-热耦合模型的求解计算方法主要基于CFD软件的数值求解;目前热管理的研究技术相对成熟,热管理的运用主要集中在风冷、液冷、相变材料三种冷却方式,并且随着不断地实践,液体冷却被公认为是热管理的主流散热方式。为了探究电池在电池包中的生热特性,本文对电池进行了绝热状态下的不同放电倍率的放电实验研究,并测量了电池厚度方向的导热系数。研究发现电池厚度方向的导热系数远远小于平面方向导热系数;电池温升特性呈现出先快后缓再快的特征,且放电末期温升比初期更快;随着倍率的增大,温升曲线趋于线性,温升变化特征逐渐减弱。电池温度呈现出非均匀分布状态,正极耳附近温度最高,其次负极耳附近,电池底部温度最低。根据电池放电时的电荷守恒,能量守恒,以及电池正负极板几何特征,采用解析解求解出正负集流板上的电流密度分布函数,从而构建电池的电-热耦合模型,求解出整块电池的体积生热率函数。将生热率函数嵌入STAR-CCM软件中,模拟电池放电温升过程,并与实验对比,发现实验与模拟能够很好的吻合,并且放电倍率越高,吻合程度越高。热管理的设计要求是:电池组温度控制在15-40℃,温差5℃以内。为了最大限度满足设计要求,本文基于电-热耦合模型、电池放电温度分布特性,对电池散热系统进行设计研究。首先,根据生热速率确定了散热系统的冷却水进口流速。其次,冷却准则遵循电池本身高低温中和,先冷却高温,后冷却低温;具体表现为将电池正负极交替堆叠,散热系统冷却水进口位置布置在电池温度最高的部位,顺次流向低温地带。最后,基于以上设计原则,对比研究了不同导热板厚度、不同环境温度、不同放电倍率、不同散热结构下不同放电倍率的散热仿真结果。研究发现:电池组导热板厚度为0.5mm最适宜;为了保证电池组温差控制在5℃范围内,冷却水进口温度与电池组初始温度差应保持在10℃范围内;电池组低倍率放电时(小于等于2C)采用散热系统1,高倍率放电(大于2C,小于4C)时采用散热系统2。