车用锂离子电池热特性研究及电池组散热优化

基于环保和可持续性发展等多种因素的考虑,在政府的大力推动下目前电动汽车发展势头良好。而动力电池技术的发展与革新是电动汽车取得突破性发展的关键因素之一。热管理技术是制约电池大规模应用的瓶颈技术,因为在充放电循环过程中的过热和各电池间的散热不均,容易引起电池的性能下降和容量衰减等问题。因此,有必要研究电池的热特性并对电池组散热方案进行优化设计,提高电池的使用性能和安全性能,使电池组能够高效的运行。在单体电池热特性研究及热建模的过程中,本文首先分析了电池的工作原理和产热机理,结合电池的充放电性能试验及混合动力脉冲特性试验获得了电池的产热速率。其次,通过分析影响电池温度分布的主要因素,对单体电池热特性进行了研究,并利用COMSOL软件建立锂离子电池热模型,得出随着放电倍率的增加,单体电池的最高温度会提升,1.5C放电后电池最高温度比1C放电后最高温度高出4.9℃左右。同时利用试验数据验证了电池热模型的准确性,试验数据和仿真数据误差在1%以内,所建立的模型可以预估电池内部温度分布。在电池组散热方案的设计过程中,本文基于计算流体力学的理论建立了空气冷却、液体冷却和相变材料冷却三种电池组散热模型。在空气冷却散热方案中,通过比较自然冷却和强制通风两种情况的散热效果,分析了两者的流场分布和温度分布。同时利用软件建立了电池组的液体冷却散热模型,与空气冷却方式相比,电池组内部最高温度降低了6℃,但温度分布不均匀,最大温差近20℃,且设计结构不易加工、成本很高。本文还设计了基于相变材料的冷却方案,但对电池组的温度下降不明显。与其他两种散热方案的优缺点进行比较,确定了采用空气冷却对电池组进行散热。通过提出一种基于多物理场仿真的电池组三维散热模型,并且基于单一变量原则对散热方案进行了优化设计。本文在传热学和计算流体力学的理论基础上,研究分析了电池的热特性及电池组的散热设计,并利用试验验证了热模型的准确性。在此基础上从多个角度对电池组散热进行了优化,电池组的散热能力明显提升,研究结果可为电池热管理系统的设计改进提供参考。