圆柱形动力电池模组液冷散热模块的数值模拟及轻量化设计

随着新能源汽车的繁荣发展,锂离子电池热管理的需求也越来越大。在众多电池热管理方式中,液冷热管理技术具有换热系数高、温控效果好、系统能耗小等特点。电池热管理系统除了基本的性能要求外,还应做到轻量化。本文针对一款18650圆柱形电池,设计了以一种导热结构(TCS)为核心的液冷电池热管理系统散热模块,用数值模拟的方法,对其TCS的性能展开分析和轻量化设计,并对液冷散热模块的流量分配特性展开研究。本文主要研究内容如下:(1)通过内阻特性实验和开路电压温度系数测试,确定了电池5C大倍率放电时的生热规律,以此为基础,建立了电池单体三维热模型,并通过电池温升特性实验验证了其合理性。实验结果表明,电池5C放电结束时,电池的表面温度已达360 K(87℃),亟需设计有效的电池热管理方案。(2)针对电池在5C放电的工况,探究了TCS在不同冷却水质量流率m_f和TCS结构参数下的性能表现,同时关注TCS重量m_(TCS)的变化。结果表明:当m_f为6×10~(-4) kg/s时,TCS的性能即可满足电池热管理的要求;TCS内径的增加可有效减小m_(TCS)冷却水的压降ΔP;适当地减小TCS与电池接触面高度,能有效降低电池温差和m_(TCS);增加TCS与电池接触面角度可有效降低电池最高温度和温差,但m_(TCS)也随之增加。随后,本文经过结构设计得出了轻量化的TCS,对比初始结构,对应的电池温差、ΔP和m _(TCS)分别降低了14%、80%和46%。(3)以液冷散热模块的流道结构为研究对象,探究了不同流体进出口位置、方向对其流量分配均匀性的影响。结果表明:基于U型设计的进出口位置且流体入口为垂直于储液板时形成的AA_1-10结构,其流道的流量分配均匀性最好,比初始所设计的流道结构的无量纲极差和不均匀系数分别降低了74%和84%,同时ΔP升幅仅为3%。随后,建立电池组温度预测关系式,评估了电池组的温度情况,发现AA_1-10结构对应的电池组最高温度和最大温差分别为312.93 K和4.57 K,这表明液冷散热模块的性能满足了电池组热管理的要求。