电动汽车用锂离子电池组风冷—热管复合式散热性能研究

电池技术是制约电动汽车发展的关键技术,相比传统的铅酸蓄电池与镍氢电池,锂离子电池因其比能量高、单体电压高、循环寿命长和无污染等优越的性能便得到了众多汽电动车厂商的青睐,是目前最具发展价值的蓄电池。电池热管理的优劣直接严重影响着电池循环寿命和运行效率,尤其是在高温条件下或者大电流快速充放电循环过程,会引发电池内部剧烈的化学反应,释放出极大的反应热,带来不可预测的安全隐患。总的来说,锂离子电池最佳的工作温度范围是25℃～40℃,最大不超过45℃,且电池模块之间温差小于5℃。因此,为解决电池组温度过高和温度场不均匀性问题,本文将采用热管散热技术,并辅以风冷方式,对大放电倍率下锂离子电池组的散热性能进行了有关实验和数值模拟研究。本文主要研究工作如下:(1)通过Neware电池充放电平台,实验测试了 18650圆柱形锂离子电池在充放电过程中的温升特性,得到了锂离子电池在不同充放电倍率下的温度特性和不同环境温度下的内阻特性以及单体电池不同位置的温度分布情况,并在实验基础上,获得了锂离子热物性参数与生热速率。(2)建立了三维锂离子电池热仿真模型,以不同放电电流对单体锂电池进行了瞬态数值模拟,获得了放电截止时锂电池温度场分布规律,同时还进一步对比模拟结果与实验数据,发现模拟所得的温度曲线与实验所测的温度曲线呈现较好的一致性。(3)在自然风冷条件下,分别探究了不同排列方式对电池组散热影响,发现叉排结构电池组的整体散热效果要优于顺排结构,主要表现在其温度均匀性较好,但难以满足电池组温度过高时的散热要求;在强制风冷条件下,主要研究了在4种不同通风方式条件下锂电池组散热温度场分布情况,通过比较电池组散热温度场以及电池箱中心温度分布情况,得到最优通风方式。在此基础上,进一步研究了不同进风速度对电池组散热效果的影响。(4)将热管、翅片应用于锂电池组散热,建立了风冷-热管复合式散热模组,通过数值模拟研究了风冷-热管复合式电池组的散热性能。首先对翅片的结构参数进行了研究,主要包括翅片的间距和厚度,得到了最理想的布置结构;然后重点研究了风冷-热管复合式散热模组对电池组温度场分布的影响,并且还与强制风冷散热方式进行了充分对比,主要分析了锂离子电池组在不同放电电流下、不同环境温度时以及不同入口风速下内部温度场的变化规律。分析结果表明,该散热模组可以控制电池组最高温度45℃以下,同时保证电池间温度均匀性,温差控制在5℃以内。