电动汽车动力电池模组散热结构设计与仿真优化

在环境问题和能源问题日益严峻的今天,电动汽车被视为未来汽车发展的主流方向,为此,世界各国都在积极寻求电动汽车研究水平的持续进步。动力电池,作为电动汽车的能量来源,成为了影响电动汽车发展的主要因素。相较于其他动力电池,锂离子电池具有高工作电压、高能量密度、高功率密度、循环寿命长、无记忆效应等优势,这使其逐渐成为电动汽车动力电池的第一选择。然而锂离子电池在工作时常处于高倍率放电的状态,电池模组内的单体电池生热量巨大,如果不能将这些热量及时散出,其使用性能、安全性能及循环寿命均会受到影响,严重时会引发热失控甚至起火爆炸等安全事故。因此,为了保证电池模组工作时的安全性和可靠性,需要设计一套有效的电动汽车动力电池热管理系统,来确保锂离子电池长期处于最佳环境工作温度范围内。本文以18650圆柱型锂离子电池为研究对象,运用理论分析和数值模拟相结合的方法,深入分析其温度场分布特性,设计出一套强制风冷散热系统,并采用正交试验方法对电池模组散热结构进行优化设计。本论文的主要工作如下:(1)在研究了电池内部结构,工作原理,生热机理及传热特性的基础上,以18650型圆柱锂离子电池为研究对象,建立电池三维热效应模型,运用Fluent仿真软件,模拟单体电池以1C、2C、3C、4C倍率放电时的温度场和速度场分布。仿真结果表明,随着放电倍率的增大,单体电池内部的最高温度和最大温差越来越大,因而,电池成组时,应设计合适的散热系统来保证电池的使用性能。(2)在电池单体仿真模型的基础上,设计了一个由18个锂离子电池模组成的强制风冷散热系统,运用计算流体力学的方法对其进行仿真分析。分别改变电池单体间距,电池模组进风口风道角度和电池模组出风口侧表面偏移角三个参数来改善电池模组的散热性能,使模组内最高温度由53.3℃降低到36.4℃,最大温差由13.2℃降低到3.2℃。(3)运用正交试验方法,将电池单体间距、进风口角度、出口侧偏角三个参数作为考察因素,以电池模组内最高温度作为目标函数,研究了各参数对电池模组散热效果的影响,并结合极差分析法找出显著因素和最优参数。结果表明:各参数对模组内最高温度影响程度的大小顺序是:单体间距>进风口角度>出口侧偏角,最优的锂离子电池模组风冷散热模型为:单体电池间距为3mm,电池模组进风口角度为6°,电池模组出风口侧偏角为3°。