锂离子电池组强制风冷却系统优化设计

在能源短缺、环境问题严峻的今天,锂离子电池由于具有能量密度大、充放电效率高、生命周期长等优点广泛应用于电动汽车、风光储能等领域。锂离子电池工作过程温度的高低和温度分布的均匀性对其性能和寿命影响很大,直接关系到应用过程中的可靠性。因此,对锂离子电池组进行热管理对于电池的安全应用意义重大。风冷式锂离子电池热管理系统具有结构简单、成本较低的优点,但存在散热效率不高,散热效果不均衡的问题。本文采用锂离子电池电化学-热模型对其热行为进行分析,并结合流阻网络模型以及有限元分析方法,对风冷式锂离子电池热管理系统的结构优化设计展开研究,具体工作如下:首先,针对锂离子电池热仿真精度不高的问题,研究锂离子电池充放电过程中的热行为,建立锂离子电池的电化学-热仿真模型。进行小倍率放电实验以实现对模型电化学参数的辨识,简化传热方程以实现对模型热物性参数的解耦和辨识。利用辨识得到的模型参数对锂离子电池单体热行为进行有限元分析,验证所建立的电化学-热仿真模型和参数辨识的准确性。其次,针对风冷式锂离子电池热管理系统中冷却流道风速计算效率低的问题,根据流体力学原理,建立流阻网络模型以实现对冷却流道内冷却空气流速的快速计算。使用有限元方法建立强制风冷时锂离子电池组的空气流体模型,验证流阻网络模型的有效性。搭建电池组风冷实验平台,验证不同冷却风速和系统结构条件下的模型精度。最后,针对风冷式锂离子电池热管理系统结构优化设计的问题,基于流阻网络模型,分别采用穷举法和遗传算法对系统进、出风口导流板角度和电池排布间距进行优化设计。使用有限元方法仿真计算电池组的温度分布,验证流阻网络模型的优化效果,在电池组风冷实验平台上进行充放电实验,验证锂离子电池热管理系统热仿真模型的准确性和系统结构优化设计的有效性。本文从提高风冷式锂离子电池热管理系统的冷却效率的角度出发,建立电池热仿真模型和流阻网络模型,对热管理系统进行结构优化设计,达到降低电池系统整体温度和提高温度分布均匀性的目的。