液冷式电池热管理系统设计及其正交优化

随着汽车尾气排放污染的日益增加以及能源短缺的日益严重,新能源电动汽车产业的发展受到越来越多关注。电动汽车包括混合动力电动汽车和纯电动汽车。他们有一个共同的核心组件:动力电池组。动力电池组的性能和生命周期对整车的安全和性能至关重要。保持动力电池组在一个合理的温度范围内工作是保证电池性能的关键条件。因此,高效电池热管理系统通常是必不可少。本文以方型动力磷酸铁锂电池(50A·h)为研究对象,通过分析电池的组成以及工作原理,对单体磷酸铁锂电池的热特性进行分析,并建立单体电池的热模型,针对该电池设计了液冷式电池热管理系统,对该系统进行仿真分析,并利用正交试验设计对其进行了优化。本文以长沙市科技局重点项目[kh1601129]、新能源汽车协同创新综合服务平台[2016XK2008]和中国动力谷创新创业发展专项[ZJ/2016-006]为依托,结合已有的研究成果及传热基础理论,采用仿真模拟与实验结合的方法,论文的主要工作和创新点如下:(1)对电池在不同工况下的产热进行了数值模拟。计算得到不同放电倍率下的单体电池的产热情况以及电池单体的表面温度分布随时间变化的情况,分析了在不同换热工况下电池温度的变化,以及达到稳态的时间。并对电池在1C工况下进行实验研究,发现仿真与实验结果较为吻合,验证了模型设置的正确性。(2)设计了一种液冷式电池热管理系统结构,对冷却模型的传热进行了分析,对液冷式电池热管理系统结构进行了仿真分析,分析了不同冷却平板材料对散热的影响,仿真计算了不同电池产热工况下的冷却结构中冷却平板的温度场,以及不同环境温度下冷却平板的温度变化。(3)利用正交试验设计分析了影响该系统散热效果的4个参数:管道高度H、管道宽度L、管道数量M、冷却液流速V。结果表明:对于冷却平板平均温度,管道数量影响最为明显,冷却液流速次之,管道高度影响效应最小。对于冷却平板温差,管道数量和冷却液流速的影响效应相近,为主要影响因子,管道宽度和管道高度影响效应相近,为次要影响因子。通过对较优模型分析,结果表明环境温度对冷却系统的温差影响不大,而对冷却系统的温度区间影响较大。冷却液不同流向对冷却平板平均温度影响不大,而对冷却平板温差影响较为明显,冷却平板加入肋片结构明显增强了冷却平板的换热能力。