基于一维数值模型的液冷式电池散热结构优化

随着世界范围内能源危机与环境污染日益严重,近年来世界各国汽车厂商均大力发展以电动汽车为代表的新能源汽车,以实现进一步的节能减排。动力电池作为纯电动汽车中的核心部件,是电动汽车市场化应用和大量普及的关键。而动力电池工作于高温环境或大倍率充放电工况时,往往会出现温度过高的情况,甚至有可能发生热失控导致起火爆炸等事故。此外,若动力电池组中各电池单体间温度均匀性较差,也会大大影响其使用性能和寿命。因此,高效、优化的散热结构能够显著改善动力电池组温度状态,进而提高整车的性能。本文以电动汽车锂离子电池模组及其液冷式散热结构为研究对象,在建立电池热效应模型、分析不同工况下原始散热结构性能的基础上,分别建立模拟电池模组及其散热结构的一维和三维数值模型,而后基于一维模型对散热结构进行优化设计,基于三维模型对优化后新结构的散热性能进行验证。主要内容如下:1、分析了不同放电倍率及不同冷却液流量下电池模组的散热及温均性能。结果表明,在电池放电倍率分别为2C、4C、8C时,电池的最高温度分别为26.1℃、28.69℃、36.64℃,电池单体平均温度最大差值分别为0.25℃、0.63℃、1.74℃,电池温度均方差分别为0.0749℃、0.1962℃、0.5540℃,可以看出随着放电倍率的增大,电池的最高温度会显著提高,电池单体间的温度均匀性也随之变差,其中8C倍率放电工况下的电池温度均方差值大于0.5℃,超出该电池热管理系统的设计规范。而在入口冷却液流量分别为0.04kg/s、0.06kg/s、0.08kg/s时,电池最高温度分别为38.51℃、36.64℃、35.64℃,电池单体平均温度最大差值分别为2.11℃、1.74℃、1.59℃,电池温度均方差分别为0.6825℃、0.5540℃、0.5048℃,可以看出随着冷却液流量的增大,电池的最高温度会有所降低,电池单体间的温度均匀性也会有所改善,但仍相对较差。不同的冷却液流量也会造成各冷却通道内的流量分布不同,使得电池模组内高温区域的位置有所偏移。2、针对原结构中一些工况下电池模组内电池温度均方差值较大,各电池单体间温均性较差这一问题,以“环境温度25℃,电池以8C倍率放电,入口冷却液流量为0.06kg/s”这一基础工况为代表,对其进行散热结构优化。采用一维-三维耦合的方式,分两步进行优化设计,首先使用Flowmaster软件对电池散热结构进行一维建模,并基于贪心算法,以电池温度均方差作为优化目标,通过Flowmaster与Excel/VBA的联合仿真来进行寻优求解;而后采用三维模拟对优化结果进行验证。这种两步优化方法在传统CFD方法的基础上引入了一维建模环节,不仅可以大幅加快优化速度,提升优化效率,还可以更为便捷地采用优化算法来辅助结构优化设计。结果显示,优化得到的新散热结构中,放电终止时刻的电池最高温度由36.64℃降低到35.62℃,电池单体平均温度最大差值由1.74℃降低到0.28℃,而电池温度均方差由0.5540℃降低到0.0812℃,成功降至0.5℃以内,满足了电池热管理系统的设计规范要求。电池模组的散热效果和电池温均性得到了大幅提升,优化效果明显,同时也表明本文提出的散热结构优化流程和方法有效。3、将优化后的电池模组散热结构应用于除基础工况以外的其它工况,以进一步验证和分析新结构的散热性能。结果表明,在其余条件不变,放电倍率分别为2C、4C、8C的三种工况下电池最高温度分别由26.1℃、28.69℃、36.64℃降低为25.93℃、28.28℃、35.62℃,电池单体平均温度最大差值分别由0.25℃、0.63℃、1.74℃降低为0.13℃、0.12℃、0.28℃,温度均方差分别由0.0749℃、0.1962℃、0.5540℃降低为0.0374℃、0.037℃、0.0812℃。而在其余条件不变,冷却液流量分别为0.04kg/s、0.06kg/s、0.08kg/s的三种工况下电池最高温度分别由38.51℃、36.64℃、35.64℃降低为37.85℃、35.62℃、34.95℃,电池单体平均温度最大差值分别由2.11℃、1.74℃、1.59℃降低为0.97℃、0.28℃、0.43℃,温度均方差分别由0.6825℃、0.5540℃、0.5048℃降低为0.3566℃、0.0812℃、0.1473℃。优化后的新结构对不同倍率放电及不同冷却液流量工况下电池模组的散热及温均性能都起到了很好的改善作用。在采用新结构后,原先较差的电池温度均方差值均得到了有效改善,本文提出的散热结构优化流程和方法适应性较强。综上所述,在对原有散热结构进行优化后,新散热结构明显改善了电动汽车动力电池的温均性,从而有效地保证了电池的良好性能、提高了电池的使用寿命、保障了电动汽车的安全性和可靠性,同时提出的散热结构优化流程和方法具有很好的有效性和广泛的适应性。