相变冷却用于复合电池热管理系统的结构优化研究

面对日益增加的能源与环境压力,发展新能源汽车成为缓解压力的重要方式之一,其中电动汽车更是迎来了研发热潮。动力电池作为电动汽车的动力源,其寿命和安全性很大程度上决定了车辆的安全性能,对电池组进行及时散热可以有效提升其安全性,因此针对动力电池的热管理系统成为了研发重点。本文针对电动汽车动力电池组展开了电池热管理系统及其相变材料复合换热的研究,主要研究内容如下:1、针对18650锂离子电池,以Bernardi产热速率模型为依据,建立电池单体以1C~5C倍率放电时的产热功率密度模型,建立电池单体产热模型,仿真计算电池单体表面平均温度,对比验证计算结果与试验结果,确认电池单体产热模型的有效性。2、针对5×5的电池模组,采用相变材料单一冷却系统,仿真分析其在电池单一放电工况下的冷却性能。结果表明,电池以1C倍率放电时,电池组温度未能达到石蜡相变温度,电池组最高温度和温差以较小的幅度缓慢升高,放电结束时,电池组最高温度为309.28K,温差为1.07K;电池以2C~5C倍率放电时,电池组温度达到石蜡相变温度,在石蜡的吸热作用下,电池组最高温度上升趋势减缓,电池组温差下降,放电结束时,电池组高温度分别为314.75K、315.82K、317.79K和320.29K,温差分别为0.24K、0.15K、0.09K和0.18K。综上所述,在单一放电工况的1C~5C放电倍率下,电池组最高温度均在323K以下,电池组温差均低于5K,相变材料单一冷却系统在单一放电工况下的冷却性能良好,可以满足电池组的冷却需求。3、在电池连续充放电循环下,评估相变材料单一冷却系统的冷却效果。仿真结果表明,电池以1C倍率充放电时,电池组最高温度在达到石蜡相变温度后,开始以缓慢的速率上升,在5个充放电循环结束后,电池组最高温度为317.60K,电池组温差为2.66K,满足电池组的冷却需求;当电池以1C倍率充电、2C~5C倍率放电时,电池组最高温度和温差分别于第三、第二个循环超过了需求限值,此时最高温度分别为324.14K、339.72K、332.73K、345.08K,温差分别为6.46K、9.45K、6.47K、8.52K,放电阶段的电池组最高温度升高幅度随电池放电倍率的增加而增大,充电阶段的电池组最高温度有小幅下降,在电池充放电过程中,石蜡因为全部熔化而失去冷却能力,相变冷却系统失效,导致电池组最高温度和温差均超过了需求限值,因此考虑加入液冷结构组成复合冷却系统,以提升系统冷却性能。4、尝试相变冷却与液冷结合的复合冷却系统性能。针对电池1C倍率充电、3C倍率放电的工况,仿真分析5次连续充放电时的冷却性能。仿真结果表明,电池组最高温度以充放电阶段为周期的缓慢上升,在第五个放电阶段结束时达到最高,为321.43K;电池组温差在电池放电阶段下降,在电池充电阶段上升,温差最高点位于第一个充电阶段结束时刻,为1.89K。与相变材料单一冷却系统相比,复合冷却系统可以很好地满足电池组在此工况下的温控需求。5、研究冷却液入口流速对复合冷却系统冷却性能的影响规律。仿真分析电池1C倍率充电、3C倍率放电工况下,冷却液流速由0.1m/s增加至0.4m/s时电池组的最高温度和温差变化规律。结果表明,四种流速下电池组最高温度分别为324.98K、322.23K、321.43K和321.03K,电池组的最大温差分别为3.10K、1.94K、1.89K和1.85K,冷却液流速的增加会使电池组最高温度和温差下降,但降低幅度逐渐减缓,增加冷却液流速所带来的作用越来越不明显。因此,为了减少冷却液流动带来的功耗,在保证系统满足电池组温控需求的前提下,应尽量选择较小的冷却液流速。6、优化系统冷板结构,由原来的串联式冷板改为并联式。计算表明,在1C倍率充电电池、3C倍率放电工况下,采用并联式冷板的复合冷却系统相比同等条件下的原系统可使电池组最高温度降低3.11K,电池组最大温差降低1.26K,优化后的冷板结构对系统的冷却性能有提升作用。