电动汽车电池组热管理系统的研究与设计

近年来,电动汽车技术在国内外发展速度日益提高,成为新能源汽车的代表性技术。期间,具有优异性能的锂离子动力电池在电动汽车领域中得到越来越多地应用。但由于技术的制约,采用锂离子电池作为动力来源的电动汽车在续航里程、行驶性能等方面不完全媲美传统燃油汽车,不能满足实际工况的需求和人们的期望。与其他种类电池相比,锂离子电池具有电压高、重量轻、无污染等诸多优点。但是锂离子的工作性能与工作温度有着密切的联系。工作温度过高时,锂离子的工作安全性不受保障;工作温度过低时化学反应速率降低,锂离子电池的容量降低,对续航里程和行驶性能有不利的影响。因此,对电池组温度场控制的研究对保障电动汽车正常工作十分有必要。锂离子电池在充放电过程中,电池核心区和内部其他结构等部位会产生热量,如果热量不能及时的扩散到外界环境,则会在电池内部产生热累积,降低电池性能。适宜的工作温度是保证锂电池正常工作的条件。因此,本文针对电动汽车电池组热管理系统进行探究,并提出了一个有效的散热系统结构设计。本文首先总结电动汽车、动力电池和电池组热管理系统的研究现状。研究了锂离子电池的组成和热行为,设计物理实验研究了电池单体的温度变化。通过有限元计算获取相关热物性参数,建立了电池单体热模型。比对实验与仿真结果,证明了模型的有效性。通过仿真分析,研究了不同放电倍率与环境温度对电池温度的影响。运用ANSYS Fluent有限元软件,模拟锂离子电池组在液体介质中放电一段时间后的温度场变化,并与实验结果进行比对验证模型。在电池组热模型的基础之上,本文设计了几种不同位置的出入口结构的散热系统。通过仿真计算比对不同换热介质的散热效果,研究表明,采用液体作为换热介质,其散热效果明显优于空气介质。同时,通过比较三种不同结构模型的仿真结果,证明不同的流道设计会在一定程度上改变散热结构的流动特性和换热特性。在相同的入口流量下,采用对角线出入口的冷却系统能将电池组的平均温度降到更低,最大温差在5℃以内。通过调节冷却液流量,可以将最高温和温度差继续降低,能够达到理想的散热效果。在此基础上,本文对电池组散热系统的各个部件进行了比较详细的结构设计,包括电池组的箱体、支架等。绘制出了实际应用结构的三维模型,对研究与设计以液体作为散热介质的电动汽车电池组热管理系统具有一定的参考价值。