动力电池组分层风冷式热管理系统研究

作为电动汽车的唯一动力元件,动力电池性能对电动车的行驶里程、经济性以及动力性能等至关重要。动力电池在以较大的充放电倍率工作时会产生大量的热量,如果不能及时散出,会导致电池温度急剧升高以及温度一致性变差,而适宜的工作温度以及良好的温度一致性正是保证电池工作性能及其使用寿命的重要前提。本文研究了磷酸铁锂圆柱电池单体的生热及其传热特性,并结合仿真和实验分析了电池单体在自然对流条件下的温升。为了强化电池散热结构的散热能力,提高电池组的温度一致性,提出了反向分层风冷结构,运用Fluent软件对电池组散热结构进行稳态的数值仿真计算,并对所提出的散热结构进行了改进和优化,最后通过电池组的模拟实验对所提出的反向分层风冷结构的散热效果进行了验证。本文主要做了以下几方面的工作:⑴以电动汽车所用的磷酸铁锂圆柱动力电池为研究对象,分析了锂电池单体的内部结构、工作原理、产热及其传热机理,在Bernardi电池生热模型的基础上,结合传热学基本定律建立了圆柱锂电池单体的三维电-热耦合生热模型;⑵对锂电池单体在常温自然对流条件下进行温升实验,得到锂电池以不同放电倍率工作时的表面温升特性曲线,同时用Fluent仿真分析锂电池单体在大空间自然对流条件下的温度场,仿真结果与实验结果的一致性很好,呈相同的变化趋势,这表明了所构建的圆柱磷酸铁锂电池热模型的准确性;⑶为了强化电池散热结构的散热能力,提高电池组的温度一致性,提出了反向分层风冷结构,比较了3C放电、常温、2m/s冷却风速下其与传统的同向不分层风冷结构的散热性能,Fluent仿真结果表明反向分层风冷结构在降低了电池的最高温度与平均温度的同时,也能很大程度上提高电池组的温度一致性。对原始的反向分层分冷结构进行优化,用Fluent软件分析入口处增设扰流板、调整冷却风速、调整电池之间的间隙距离、改变电池排列数等优化方案对电池组散热结构的流动和换热特性的影响。⑷最后通过电池组的模拟实验来比较反向分层风冷和同向不分层风冷结构的散热性能,验证了反向分层风冷结构的优越性。