方形锂离子电池模组水冷系统的散热与性能优化研究

在环境危机与能源危机的双重压力下,新能源汽车已经被大众认可并且逐渐成为汽车行业的主导,而电动汽车在新能源汽车中占据了很大的比重。电池作为电动汽车的动力核心有着举足轻重的地位,其在工作中会产生大量的热量,从而使电池的温度升高。当其温度超出正常范围后会影响电池的性能及使用寿命,而一旦温度过高,还会引发严重的安全问题,如自燃甚至爆炸。尤其在高放电倍率、高环境温度下,发热尤其严重。同时,电池模组内温差也是影响电池工作性能的重要因素,温度均匀性低,会导致电池模组寿命急剧降低,同时还会打破电池模组的热平衡,进而引发安全问题。本文通过了解锂离子电池的工作原理建立电池的发热传热模型,电池在放电过程中,内核的产热速率是随着剩余电荷量(SOC)与温度变化而变化的,故编写Fluent软件中的自定义函数(UDF)来定义电池的产热速率,通过Fluent软件分析热管理的散热情况。该研究结果具有工程实际意义。经过研究锂离子电池的放电发热状态,设计了新型水冷系统。首先应用CFD方法对电池单体与模组的放电模拟,分析其发热状况,统计最高温度和平均温度。将所设计的冷板式水冷系统安装到电池单体及模组中,模拟并分析该系统的散热效果。同时,改变该系统的各项参数与变量,如流体材料、管道数量、管道直径、流体流量等,对系统进行优化,找出最优设计方案。为了将模组内部最大温差控制在一定范围,必须使得冷板中每条管道之间的流体流量保持均匀,以实现电池模组的温度均匀性,故需要设计一种流体分配系统已实现上述需求。考虑到汽车内空间的有限性,本文应用最小熵产法设计了一种树杈式管道,在实现流体均匀分配的前提下减少功耗,同时更加有效的利用空间。最后将液体分配系统与散热系统整合起来进行模拟,使得结果更接近真实,可以为工程应用提供指导。