直冷式动力电池热管理性能分析

随着电动汽车动力性、续航里程、充电速率等要求的提高,动力电池热管理及其热安全越来越受到关注,快速响应冷却和过热应急冷却的管控能力有待提升。同时,热管理系统的轻量化、紧凑化和集成化也越来越受到重视。为此,研究工作针对动力电池热泵制冷剂直接冷却热管理技术,利用数值仿真方法探究直冷式电池热管理基本性能。高效的热管理系统,不仅要快速将电池组温度控制在合理区间,还要均衡各单体的温度差异,使电池始终工作在最佳状态,为此研究工作主要以电池最高温度和温差作为热管理性能的评判依据。采用电池模组冷板底置的直冷换热结构,设计流道结构及流程尺度,优选出利于模组传热且兼顾板内流动的三流程蛇形流道冷板结构。并采用加设高导热片作为冷板肋片来增强传热以提高电池模组温均性水平,在对比不同布置形式与厚度后,选择将高导热片布置在电池单体及模组两侧,实现组内最大温差的显著降低。在设计电池模组整体结构基础上,围绕直冷系统主控因素的热流变参数,探究不同放电倍率下直冷过程中制冷剂入口流量、蒸发压力、以及电池初始温度的冷却作用效果及其基本特征规律。为提高电池温控效果,采用梯级参变热控方法,根据电池不同放电阶段的冷却需求采用应时强度冷却,譬如通过调节压缩机转速或膨胀阀开度等方式改变制冷剂参数,达到冷却初期电池模组高温降响应性,后逐步趋于温均性保障的控制模式,并维持电池在适宜温度区间。算例表明,电池模组1C放电条件下的最高温度和温均性具有维持20.83℃和1.22℃的温控潜力。电动汽车动力性增强会引起电池大负荷变动,随之产热波动也将增大。研究工作对电池变负荷放电下直冷系统动态调节的应对性进行了模拟分析,并以典型的简单线性负荷工况为算例,探究其中的基本变动特性,以便认识更复杂的动态工况控制特征,特别是热管理控制的跟随性规律。根据压缩机转速和电子膨胀阀控制原则,分别采用制冷剂恒压变流与恒流变压线性调节方案,着重认识调参幅度与变化时域对电池温变的影响,并围绕流量与压力的协同调控增效性展开讨论。分析表明,通过双参数调节可以有效抑制电池变负荷工况的温升,算例范围内可以将电池1C至2C变负荷放电的各区温度变动值均维持在1℃以内,有效支撑了电池模组动态放电过程中的温度稳定性,并为更趋复杂的客观工况分析提供了可行性基础。鉴于直冷式动力电池热管理还处于技术应用的前沿领域,有待更广泛深入的探索和控制应用。本文仅以仿真分析手段探究了蒸发冷板、热流变参数和动态负荷调节基本特性,为推进今后积极探索动力电池直冷热控方案提供一定参考和帮助。