纯电动汽车用锂离子电池液冷散热特性仿真研究

随着全球能源短缺和环境污染问题越来越严峻,加上各国政府的大力扶持,新能源汽车得到迅猛的发展。电动汽车由于具备整体构造简单、零污染排放、安静、效率高和不会使用能源等优点,被视为传统燃油汽车的最佳替代品。锂离子电池凭借自身使用寿命长、比功率高、比能量大、充电快速等优点,被广泛的运用在电动汽车上。但是动力锂电池的工作性能对温度非常敏感,若在工作时产生的热量不及时散出,不仅会影响锂电池高效工作,严重还会导致锂电池发生热失控。因此开发出合理的热管理系统,来保证锂电池高效安全运行显得尤其重要。本文首先依靠理论公式计算出锂电池的热物性参数;然后基于理想Bernardi产热理论,得到了锂电池生热速率随时间的变化关系。在自然对流条件下,使用Fluent软件对不同放电倍率下的单体电池温度场进行仿真分析。结果表明:单体锂电池最大温升随放电倍率的增大而增大,且电池最大温升开始位于电池正极,随后分布在电池中央,整个放电过程中正极温度始终高于负极。然后将液冷板应用于电池组热管理系统中,利用Fluent软件对3C放电倍率下的锂电池组液冷模组进行热特性分析。首先对比分析了并排“U”形流道和“1”形流道液冷模组的散热性;然后在单进出口前提下,对比分析了四种不同形状流道的液冷模组散热性;最后以“Z”形流道液冷模组为例,研究了流道数量、冷却液质量流量、环境温度,流道宽度和流道空间布局对散热性能的影响,并提出优化改进结构。结果表明:并排“U”形流道液冷模组散热性优于并排“1”形液冷模组。对四种不同形状流道的液冷模组的热分析表明,“Z”形流道液冷模组散热性最好,“I”形流道液冷模组进出口压降差最小。增加流道数量、冷却液质量流量和流道宽度均能减小电池组的最大温升,改善电池间温均性;但增大冷却液质量流量会增大能耗,增加流道数量和流道宽度会降低能耗。环境温度会影响电池组最大温度,不会对温差造成影响。将靠近进口端的流道布置的密集一些、出口端布置的稀疏有助于改善液冷模组的散热性能。同原始模型相比较,结构和空间布局优化后的最优模型的最大温度减小了0.76℃,最大温差减小了1.06℃。最后将并排“U”形流道液冷板与电池包结合组成合理的电池包液冷模组,使用正交优化法筛选出较优模型组合。结果表明,流道宽度为12mm,冷却介质流速为0.07m/s,流道数量为4时的组合为较优组合,能满足电池包在1C倍率放电时的安全使用,较优模型的最高温度比16组模型中最大的最高温度低了7.81℃。