锂离子动力电池组液体介质热管理系统散热结构分析

能源与环境危机日益严峻,汽车工业的不断发展消耗着巨大能源的同时也带来了严重的环境污染,各国政府及汽车企业开始纷纷将目光转向新能源汽车,以纯电动汽车为代表的新能源汽车迎来了新的发展机遇。动力电池是电动汽车主要的动力来源,其性能直接决定了电动汽车的动力性、经济性以及安全性等。动力电池关键技术的突破,是电动汽车推向市场化和普及化的重要条件。其中,锂离子动力电池以其能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点迅速受到了市场的青睐。然而锂离子电池在工作过程中由于内部的化学反应会产生大量的热,加之电池包是一个密闭的空间,热量不易自主散失,如果电池温度一直维持在比较高的范围,会对电池的充放电效率、功率输出以及电池寿命等方面有很大损害。如果温度继续升高则可能会引发电池热失控,进一步会危及到电动汽车的安全性。除此之外,各个电芯产热量的积累和传递条件的不同会导致电池模块之间温差变大,导致电池组整体不一致性,进而造成电池组内部衰减速率不同,电池组容量利用率降低,影响动力电池的正常工作。因此,开发合理高效的动力电池热管理技术,对保障动力电池正常使用,延长电池循环寿命等具有重要的意义。本文基于对锂离子动力电池工作原理及热特性的研究,通过实验与仿真相结合的方法,对动力电池热管理系统在不同条件下的散热效果进行了探究,分析了动力电池成组结构、热管理系统布置方法、以及热管理系统相关参数对电池组内部最大温升及温度分布的影响,为动力电池组热管理系统的改进与优化提供了指导作用。本文主要工作与结论如下:(1)通过查阅文献,对比了各类动力电池的优缺点,分析了温度对动力电池性能的影响,综述了动力电池热管理技术国内外的研究现状,并列举了几种动力电池热管理系统实车应用方案;(2)介绍了锂离子电池的基本结构和内部电化学反应原理,研究了锂离子电池的生热特性和传热特性;并通过电池内阻特性实验获得了锂离子动力电池在不同SOC状态下恒流充放电过程中电池直流内阻的变化特性,结果表明:当电池SOC值在0.3以上的区间内时,电池内阻基本不变;而当电池SOC降至0.3以下时,电池内阻会出现一个激增;(3)针对现有项目的锂离子动力电池组,通过实验分析了在不同环境温度下以液体为介质的热管理系统液冷板布置方式及冷却液温度对电池组散热效果的影响。研究发现:电池模组底部加液冷板后,电池组整体最高温度从47℃下降到了41℃,且随着环境温度的进一步升高,电池组最大温升的降低幅度也进一步扩大;降低冷却液温度,对控制电池组最高温度也有明显效果,但冷却液温度降低到一定限度后,其对电池散热的影响相对减弱,甚至会造成电池组整体温度均匀性下降;(4)针对实验不能准确获得电池模组内部温度分布情况的不足,运用相关软件建立了动力电池组的热仿真模型,并通过相同工况下仿真结果与实验数据的对比验证了模型的有效性。以环境温度25℃,冷却液温度25℃,冷却液流量3L/min,电池组恒定倍率放电工况为例,对锂离子电池组内部温度分布情况进行了探究。研究发现:放电截止后,电池组内部整体温度分布不均匀、电池模组在液冷板沿程和上下表面间存在一定温差等问题,需要进行优化;(5)以电池组中发热量最大的2并5串模组为研究对象,通过实验对比的方法,研究了几种增强电池模组与液冷板间换热效果的方法对于改进电池模组上下表面温差大、与液冷板接触不良等现象的影响。结果表明:提高模组底部换热效率,对电池模组顶面和侧面的温升没有太大影响,反而由于模组底面温度的降低导致模组上下表面温差进一步加大;考虑模组内部结构,将模组侧放使每个单体电池接触到液冷板面积一致后,动力电池模组上下表面温差明显降低,整体温升也有所下降,效果理想。