动力电池热管理系统跨尺度多场耦合模拟研究

动力电池作为电动汽车的动力源,是电动汽车的三大核心技术之一。对于目前主流的动力电池而言,温度对电池的性能和使用寿命有着重要影响。当动力电池用于电动汽车时,电池单体将会被封装成组做成电池包,然而易使电池的热量累积难以散出,需要对动力电池的工作温度进行控制。因此,设计有效的电池热管理系统对于电动汽车的发展有着至关重要的影响。本课题来源于江苏省重点项目(产业前瞻与关键技术),针对项目合作企业提供的电动轻卡,进行电池单体跨尺度电化学-热耦合问题及热特性的研究、电池包的设计以及电池热管理方案的设计与多场耦合计算。本文完成的工作和结论如下:(1)关联了电极实际微观结构中微观参数与宏观参数,基于电荷守恒、质量守恒和能量守恒等方程建立了磷酸铁锂电池单体跨尺度的电化学-热耦合模型,并确定了边界条件。(2)针对项目中拟采用的软包磷酸铁锂电池,为了解其温度特性,本文搭建了电池单体热特性试验平台,开展了不同放电倍率和不同环境温度下的电池的恒流放电试验,得到以下结论:环境温度为25℃、放电倍率为1C时,放电末期电池的最高温度出现在电池中心处,为30.1℃;放电倍率越大,电池的温升越大,均温性越差,放电倍率为2C时,电池的温升达到了15.1℃;环境温度越低,电池的温升越大,在环境温度为5℃时,电池的最大温升达到9.1℃。并且采用建立的跨尺度电化学-热耦合模型对此试验工况进行了模拟计算,得到了电池不同放电倍率下生热率的变化规律。(3)开展了电动轻卡的电池包设计,确定了所需电池的数目、串并联形式,并根据国标要求,选择了电池箱和内部电池模组的尺寸。(4)针对电池模组的初步尺寸,设计了典型的运用液冷板散热的液冷方案,确定了冷却液的流量、液冷板的结构和尺寸,并提出了一种新的热管散热方案,确定了热管的工质、尺寸以及冷板和翅片的数目。(5)最后,分别对液冷和热管冷却两种散热方案进行了多场耦合模拟分析。对于液冷散热方案,根据计算结果改进了液冷板结构,将动力电池模组的最高温度控制在34.77℃,温差为4.71℃,并分析了冷却液的流量和温度对改进后的动力电池液冷散热系统的影响;在热管冷却散热方案中,通过考虑翅片间距的影响,确定翅片间距为4mm时可将温差控制在4.09℃,使得电池系统具有较好的均温性,并且考虑了风量和进风温度等因素对动力电池热管冷却散热系统的影响。通过与典型的液冷方案的对比,结果显示热管冷却方案的均温性更好。本文提出了电池单体的跨尺度电化学-热耦合模型,在此基础上设计了电池包,提出了一种新的基于热管冷却的热管理方案并进行了多场耦合分析,为其他研究人员对应用于电动汽车的电池热管理系统的研究起到一定的借鉴作用。