基于平板热管的动力电池热管理结构设计与热分析

动力锂电池由于其功率和能量密度高,自放电率较低,循环寿命长,无记忆效应等显著优点而被汽车制造商青睐。而电池在实际使用过程中尤其是高倍率放电条件下会产生大量的热,因此需要有效的电池热管理系统来保障电池组的性能和安全性。本文提出了一种基于热管的电池散热系统,该系统主要用热管散热,同时辅以风冷或者液冷方式。通过实验和仿真手段对高倍率放电时锂离子电池组的温度特性进行研究,通过实验分析了单块电池正反面温度对称性以及电池表面温度特性,以此为基础建立电池产热模型,计算不同放电倍率下电池的生热量,模拟电池的发热情况。由此可得:单块电池正反面对称点温度差均在0.2℃以下,放电倍率越高,电池温升速率和电池组间温度差越大;模拟结果与实验结果吻合度较高,验证了电池产热模型的可靠性。在实验的基础上,建立了平板热管与翅片相结合的三维模型,完成对翅片结构的优化,对比了不同热管理方式(自然对流、铝板冷却、平板热管冷却)的散热效果,分析了对流换热系数和环境温度的影响。此外,还将冷板应用到平板热管的冷凝端,研究了不同冷却流道数量、冷却液流量和冷却流道宽度的影响。与翅片结合的模拟结果表明:在不同放电倍率下,与自然对流和铝板冷却方式相比,平板热管由于其高导热性和均温性的特点,可以快速带走电池产生的热量,更有效地减少电池表面温升,显著降低电池组间的温差;翅片的最优化设计结构是翅片间距、宽度、厚度分别为1mm、8mm、lmm;对流换热系数增加时,电池组温度和温差均减小,但是增加到一定值时,温度降幅有所下降;不同环境温度下电池组的散热需求各不相同,环境温度越高电池热管理的形势就越严峻。冷板冷却结果表明:流道数量改变时,对电池组的温差影响较小,而最高温度都低于40℃,流道数从5变为6时,最大温差仅减少0.06℃;冷却液质量流量的改变对电池组的冷却效果非常显著,但质量流量增加到一定值时,再增加质量流量意义不大;流道截面宽度增加,电池组温度和温差均有所降低,流道内压降也不断减小。