动力电池成组高效冷暖装置研制与流变热控性实验研究

随着能源与环境问题的日益严峻，世界各国加大了对新能源汽车的研发力度。动力电池作为新能源汽车的“心脏”迎来了新的发展机遇，同时也面临着巨大的挑战。由于电池为电化学反应装置，其对温度及温度一致性要求极为苛刻，而动力电池成组后对温度的控制难度成倍增加，所以能否研制出高效的电池热管理系统成为了制约新能源汽车发展的主要技术瓶颈。 研究工作在总结了动力电池发展概况的基础之上，对国内外在动力电池热管理领域的研究进行了进一步归纳。动力电池热管理系统按换热介质分为空气式、液体式和相变材料式三种，工程应用以空气式热管理系统为主，液体式热管理系统由于换热效率高、温度一致性好、能量可回收利用等特点正逐步取代前者。 目前液体式热管理系统还是以冷却盘整板式冷却散热为主，预热方面研究较少，且主要为PTC加热。本文从电池包轻量化的角度，针对锂电池中使用最为广泛的两种结构类型电池分别设计了管束式冷暖换热装置，即片状电池扁管束式液流换热装置和柱状电池管束软接触式液流换热装置。然后搭建了液流循环实验系统，进行了热控性实验，实验中通过控制改变循环液流量、液流入口温度，从而应对不同的电池组热负荷/放电倍率及初始温度，着重寻求最有效的电池成组冷暖装置换热效果及温度分布一致性调控方法。 研究者首先进行了片状模拟电池扁管束结构性能实验，提出了提高电池温均性的改进措施，即铺设高导热衬垫的方式。改进后电池冷却平衡响应时间和预热时间均缩短了55%左右，温均性提高了78%。随后对改进扁管束结构和管束软接触结构进行基本特性实验，结果表明，改进后扁管束结构冷却时平衡温度为33℃、最大温差为2.3℃，预热仅需90s；管束软接触结构，冷却时平衡温度为27℃、最大温差为3.4℃，预热需要5.5min。 热控实验主要通过改变液体介质流量和入口温度来实现。实验表明，在所选定的流量工况范围内，流量因素对冷却过程影响较小；对预热过程影响相对较大，其中流量由3L/min增大到7L/min时，预热时间将缩短30%左右。对于扁管束及管束软接触两种结构，液流入口温度对冷却和预热均有较为明显的影响。冷却时，入口温度越低冷却响应越快，平衡温度越低；预热时，入口温度越高加热响应越快。但是，对于管束结构过低或过高的入口温度将不利于电池体温均性或换热效果。因此，在管束和整板换热结构中，需进一步权衡电池包轻量化与换热响应和温均性的作用影响。 电池构造体始温度主要影响预热特性，初始温度越高预热越迅速，因此为了提高驾驶员时间利用效率及减少预热时能量消耗，需要对电池组进行保温处理。两种结构在电池大热负荷/大倍率放电时依然具有很好的换热效果，可满足新能源汽车各种行驶工况的需求。 在进行冷却实验时，液流入口温度与电池温度差异较大时会出现冷冲击现象，为此提出了梯级冷却的方式对电池组进行冷却，可减少冷冲击现象的发生。