电动汽车用锂离子电池风冷散热结构研究

在石油短缺和全球变暖的形势下,电动汽车被认为是未来交通车辆的主流。作为电动汽车的动力电池需要满足高能量、高功率密度、长寿命、工作时间长、无记忆效应等特点,这使锂离子电池成为了电动汽车动力电池的首要选择。尽管锂离子电池优势明显并且应用广泛,但它仍然存在着很大的问题。一般来说,在电动汽车长距离行驶的过程中,由许多单体电池构成的电池组会产生大量的热量。如果其中某个电池过热或者发生故障将降低整个电池组的性能,进而影响整车性能。因此,为了保证电池组工作时的安全性和可靠性,研究单体电池在不同工况下的温度场分布特性以及风冷模式下电池组散热结构的热稳定性,确保锂离子电池在最佳环境温度范围内工作是非常重要的。本文采用数值模拟的方式,研究锂离子电池的产热和散热特性。(1)在分析锂离子电池结构构成、工作原理、产热和散热机理的基础上,研究了温度对锂离子电池容量和内阻的影响。(2)在合理简化和假设的基础上,得出了锂离子电池的导热微分方程。以圆柱18650锂离子电池的物理模型为分析对象,利用仿真分析软件FLUENT,模拟了在放电倍率、对流换热系数和环境温度三种不同条件下单体电池的温度场分布情况。仿真结果表明,加大放电电流或者降低包围电池的环境温度,电池温升越高,电池内外温度差异越大;增大对流换热系数,电池温升越低,电池内外温度差异越大。(3)针对电池箱进出风口位置和数量两个影响因素,在保证其他参数不变的前提下,分别对每个影响因素设定四种不同结构方案,在强制风冷模式下采用稳态方式仿真分析与对比电池组温度场和电池箱内速度场分布情况。在此基础上,通过改进锂离子电池箱一进一出的进出风口布置方案,设计了两进两出与四进两出的散热结构方案,将进风口布置在电池箱的纵向上,出风口布置在横向上,进而来改善电池组温度场分布。仿真结果表明,改进后的结构方案能够有效降低电池组的最高温度并且改进后的四进两出方案可使电池组内单体电池间的温度差异不大于6℃,满足电池组散热的设计初衷。