动力电池组发热特性实验研究与散热结构的优化设计

近年来,随着经济的发展和工业化进程的不断加速,能源消耗速度在急剧升高,随之而来的环境污染问题也越来越严重。电动汽车作为解决这一现状的重要手段,受到了社会各界广泛的关注。动力电池作为电动汽车的三大核心模块之一,是发展电动汽车的关键所在。锂离子电池因具有比较高的工作电压,能够实现快速充放电,电池容量密度比较大,自放电率小,使用寿命长等优点,成为了高性能电动车的首选动力来源。但在实际的使用过程中,尤其是在大电流的工况下,锂离子电池会产生大量的热量,可能会造成电池组的温度过高或局部温差过大,影响电池的正常工作,严重时甚至会引起电池燃烧或爆炸事故。因此,采用合理的电池热管理技术对提高电池组的可靠性和安全性具有十分重要的意义。风冷散热系统具有结构简单、质量轻、价格低廉等优点,是目前研究最为广泛的电池热管理技术。本文中采用实验分析和计算流体力学(CFD)仿真分析相结合的方法,对风冷散热系统进行了探究。首先,搭建了磷酸铁锂单体电池充放电平台,对单体电池在放电过程中的各项性能进行了测试,如:电压、容量、内阻、表面温度等。根据电池在放电过程中的电压变化和电池的放电容量,对单体电池进行筛选,选择性能相近的电池来组成电池组;根据电池内阻的测试结果,可以将电池看作是恒定的体热源;通过分析电池在放电过程中表面温度的变化情况,进一步来验证产热模型的可靠性。其次,搭建了磷酸铁锂电池组及风冷散热结构实验平台,测试了电池组在不同的对流条件下、不同放电工况下的温度变化情况。通过对比电池组在自然对流和强制对流条件下的温度变化趋势可知,强制对流能有效地降低电池组的最高温度和局部温差。构建电池组的物理模型,用CFD软件仿真计算电池组在风冷散热结构中温度变化情况,并和实验结果相对比发现,实验和模拟结果具有很好的一致性,验证了所构建模型的可靠性。最后,在上述已验证模型的基础上,通过改变电池间距和进风口风速对风冷散热结构进行优化。发现电池组采用不等间距方式排布时,电池组的温度场和电池通道内的空气流场得到很大的改善;且电池间距从进风口向出风口方向依次递减,最宽的电池间距为4 mm,以0.2 mm为递减区间时的散热结构具有最低的温升和最小的局部温差。采用优化后的结构进行对风速进行分析时发现,风速达到3 m s~(-1)时,电池的最高温度和局部温差已经达到了磷酸铁锂电池组的使用要求。综上所述,优化后的风冷散热结构能够很好的降低电池的最高温度和局部温差,且都达到磷酸铁锂电池组的使用要求。