动力电池组底部冷板流固耦合传热特性分析及结构设计

电动汽车的研发与产业化推广已成为汽车工业发展的主流。而动力电池作为电动汽车的主要储能方式,其工作温度对车用性能表现影响严重,高温快速充放电模式下需要对电池进行快速降温,低温环境下需要合理的预热,以保证电池处于适宜的温度范围内。同时,为了提高电动汽车动力电池组效能与整车能量利用率,围绕车用动力电池组及整车的热管理技术日益得到关注与重视。目前电动汽车动力电池组热管理多采用液冷集成化方式,即动力电池组冷却系统、空调系统以及动力舱等部件的热进行协同化管理。而冷板部件作为动力电池组与其它部件热交互的媒介,其结构和传热特性对热管理系统性能起着至关重要的影响。因此,论文结合课题组与企业合作项目“某纯电动汽车动力电池智能温控系统开发”,以某型纯电动汽车热管理系统为研究对象,针对动力电池组底部冷板进行了结构设计,并应用Fluent软件对冷板部件传热特性及其影响因素开展了深入的研究与分析;基于AMEsim仿真平台搭建了电池组冷板以及空调辅助液冷电池系统模型,分析了冷板部件的传热效能。研究结果表明,本文所提出的冷板部件结构设计方案合理,基于冷板结构的空调辅助液冷电池系统对于动力电池组具有良好的传热特性与热管理性能。论文主要研究内容如下:1、在国内外电池热管理系统的研究基础上,基于目标车型,提出空调辅助液冷电池系统架构。接着,以该车型的单体电池结构为出发点,从工程化需求和产品开发的角度对电池箱体结构和导热硅胶片进行设计。在此基础上,重点开展冷板结构初步设计与冷板流固耦合传热特性理论分析,确定了冷板的结构尺寸、双S型流道形式、方形横截面,为下一步应用Fluent仿真分析冷板传热特性提供了模型结构参数。2、动力电池组作为冷板散热与传热的对象,需要研究动力电池自身的热特性,以此来分析冷板部件特性是否能够满足设计需求,为此进一步开展了单体动力电池热特性研究。利用课题组现有实验平台对目标车型的单体电池进行了HPPC实验、不同放电倍率下的温升实验、热物性参数测取实验,并通过理论分析、模型仿真和实验验证相结合的方法建立单体电池热模型,分析在不同放电倍率下电池的发热规律,从而为下一步冷板传热分析提供仿真基础。3、结合动力电池组散热需求,提出评价冷板性能的量化指标,分别为电池组平均温度、最大温差、压降。依据冷板性能评价指标,深入研究有无低温冷却、冷却液流向、不同进口流量、不同进口温度、不同截面宽度这几个因素对冷板性能影响,分析潜在问题并优化边界条件与结构参数。研究表明:当冷却液流向为异向单进单出、进口流量为4L/min、进口温度为18℃、流道截面宽度为8mm时,冷板的温降、均一性、能耗都具有很大改善。最后,搭建了冷板性能测试台架,验证基于Fluent模拟分析冷板性能的可行性。4、针对空调辅助液冷电池系统架构,进行了关键部件的选型与匹配。其次,基于AMEsim仿真平台搭建了电池组冷板以及空调辅助液冷电池系统模型,并将AMEsim与Fluent的仿真结果和整车试验结果进行对比,验证了其模型的可靠性。在此基础上,选取极限工况,对空调辅助液冷电池系统进行了仿真,验证了冷板部件及其系统对于动力电池组具有较高的传热效率。本文研究内容可以为动力电池组冷板设计和评价、动力电池液冷集成式热管理技术研究等工作提供指导,论文研究结果对电动车热管理系统设计开发具有参考价值。