热管散热式动力电池模组设计及热场分析

近年来,我国汽车数量快速增长,大气环境受到汽车尾气的严重污染。为解决能源与环境危机,新能源电动汽车作为传统燃油汽车的替代,得到了大力推广与快速发展。电动汽车以电能驱动车体,而锂离子电池正是电动汽车的供能核心,其充放电时产生的热量若不能及时排出,将在电池包内聚积导致电池温度迅速升高。高温电池及增大的电池间温差将会缩减电动车续航里程、降低使用寿命、增加安全隐患,因此电动汽车电池包的热管理是当前解决电动汽车里程焦虑和安全性问题的关键技术。本文针对车用动力锂离子电池放电过程中的散热问题展开了深入研究,主要内容可概括如下:(1)总结了目前电动汽车电池包冷却研究领域已有的散热方案和冷却效果,概述了国内外学者提出的电池热模型及生热速率模型;研究了锂离子电池的结构和工作原理,通过实验测试了不同倍率、环境温度下锂离子电池的直流内阻,获得了该锂电池的动态内阻规律;结合电池生热速率模型及实验数据,得到了仿真热源函数。(2)根据传热学和计算流体力学等基础理论,建立了锂离子电池单体三维模型,通过查阅文献得到锂离子电池的相关热物性参数;采用数值仿真的方法,通过CFD软件对电池放电过程进行模拟,得到不同对流条件、倍率下电池放电末期的温度分布;结果分析表明无冷却条件下,电池峰值温度将超出锂电池的最佳工作温度范围,成组使用时必然会降低电池性能、缩短模组寿命。(3)设计了一种采用热管--液冷复合散热的电池冷却系统,热管为L型平板微热管阵列;通过流固热耦合仿真,对比了空气冷却与水冷的效果,研究了热管分布方式、接触面积对温度场的影响规律,并将冷却液类型、冷却液流量、冷却管道数量等参数作为变量,以模组温度均衡性为评价标准,通过正交实验分析得到最佳参数组合;结果表明:冷却液流速、热管数量均存在经济性与效果的平衡点;冷却液温度和流道数量分别为影响模组最高温度和最大温差的主要因素;热管和电池间采用铝制均热板能有效减小温度分布不均匀的情况。(4)根据实际电池箱体尺寸,将优化后的电池模组组成电池包,提出了包内电池电路连接方案,设计了电池包模组冷却流道的结构与冷却方案;通过仿真得到了不同冷却方案电池模块的温度场分布;通过改变热管结构、均热板尺寸、冷却液温度等方式进一步优化模组冷却效果,减小电池温差;最终得到优化后的电池包放电温度场,显示出该冷却结构的效果。