基于热管的汽车磷酸铁锂动力电池热管理研究

新能源汽车在缓解日益关注的能源问题和环境污染问题上相较于传统燃油车更具有发展和推广价值。动力电池作为新能源汽车主力军-电动汽车动力系统的核心部件之一,其安全性直接影响电动汽车的整车性能。动力电池在放电过程中产生的大量热量若不能及时有效散发,会使动力电池的温度快速上升,过高的温度不仅影响动力电池的工作性能和循环寿命,还可能会使动力电池发生自燃甚至爆炸。为提高动力电池工作时的安全性,需对动力电池进行有效的热管理。本文采用具有高效传热能力的平板热管(FHP)作为电池热量散发的传热路径,散热元件为翅片,研究动力电池散热路径上的热量传递规律和效果。首先进行了国内外汽车动力电池热安全、电池热管理(BTM)及热管的研究状况分析。接着在分析汽车方形磷酸铁锂(LiFePO_4,LFP)动力电池的工作原理及结构特征后进行了方案设计。建立方形LFP动力电池的产热模型和一维非稳态传热模型,利用差分法求解一维非稳态传热方程的数值解,仿真出LFP动力电池放电时的温度特征。随后阐述了热管的传热性能以及翅片的散热机理,建立FHP-翅片散热模型,并将FHP-翅片散热模型作为传热方程的边界条件,仿真出该散热条件下的温度分布。最后进行了实验研究,包括FHP热阻性能实验、LFP动力电池单体及5块LFP动力电池串联电池组放电实验、基于平板热管的LFP动力电池组放电实验。研究结果表明,FHP的热阻与其放置方式和传热距离有关,FHP竖直放置传热路径竖直向上时的热阻最低,传热距离为50mm和100mm处的热阻大小相似,传热距离大于100mm时,随传热距离的增加热阻增大;动力电池组以不同的倍率放电时,FHP传热、翅片散热能够使动力电池的壁面温度不高于43℃;使电池组中单体电池间的温差不高于3.3℃;使电池单体的壁面温度差异低于2℃。FHP不仅能够降低动力电池放电时的温度,还能够提高电池组中电池单体的均温性以及单体电池壁面的均温性。本文中建立的FHP-翅片散热模型能够为汽车动力电池热管理设计提供理论参考,采用FHP作为传热路径配合翅片散热这一方式可以为汽车动力电池热管理提供一种新思路。