电动汽车锂电池温度场研究及优化设计

本文在总结纯电动汽车热管理研究现状的基础上,提出锂离子电池组热管理的目标是使电池组工作在最佳温度范围20℃--40℃内且均匀,超出温度范围会使电池性能大幅度下降甚至发生安全隐患。通过准确的热电耦合模型计算电池的温度场显得尤为重要。本文研究对象是国产某型纯电动汽车用锂电池,基于电池物性参数和生热原理建立电池的导热微分方程,利用中心差分法求解三维非稳态有内热源的能量方程,并运用MATLAB编写程序计算70A放电一小时后,电池外表面温度与实际测量温度不超过3℃。利用ANSYS建立电池单体热电耦合模型,模拟计算自然对流下70A放电一小时后,电池温度场与实验温差不超过2℃。从散热面、对流系数、外壳材料分析温度场的变化,三种因素的合理选择和有效组合有利于电池单体的散热,其中散热面的影响最大。以电池组单体最高温度平均值达到最低为目标函数,利用ANSYS的优化设计模块和参数化程序语言APDL对电池组单体排列结构进行优化设计,优化结果显示在1C放电至热平衡工况时,6×2的排列结构散热效果最好,使电池组的最高温由41.2℃降至31.3℃。运用此结构分析一种恶劣工况即周围空气温度40℃电池箱的散热情况,电池箱的最高温接近工作温度的上限,由此对于能持续大功率充放电的纯电动汽车,必须进行强制冷却。运用优化结构提出一个电池箱强制通风的方案,进过多次改进,最后使得在恶劣工况进气温度313K,风速15m/s条件下,电池组内最高温度被控制在55℃以下,同时保证电池温度的一致性。