纯电动汽车锂离子电池液冷热管理系统设计研究

动力电池是电动汽车的心脏,是新能源汽车产业发展的关键,而锂离子电池因具有能量密度高、性能优异等优点应用最为广泛。然而锂离子电池充、放电为电化学反应过程,其性能、寿命及安全性很大程度上取决于其工作温度。为保证锂电池在电动汽车复杂多变的行驶工况下的性能、寿命及安全性,需使其工作在适宜的工作温度。电池热管理系统作为电池系统温度的控制,其重要作用在于保障动力电池组在高温环境、低温环境、高倍率放电工况等复杂严苛条件下功率输出和使用寿命,乃至热力安全性。因此,电池热管理系统的性能优劣对于动力电池功率输出和使用寿命至关重要。本论文研究工程应用中单体生热计算方法,并通过对比不同的循环工况,选取合适的热管理评价工况,以准确地评价热管理设计是否能够满足电池性能需求。并利用商业CFD软件(star ccm+)对热管理系统进行流场及温度场分析,并根据分析结果对冷却板进行优化设计。具体研究内容如下:(1)本文阐述了研究电池热管理系统的意义,系统总结国内外动力电池热管理系统的研究现状及不足之处。通过对标国内外典型车型热管理系统方案及电池系统发展方向,总结出液冷热管理系统逐步成为主流发展趋势。(2)分析锂离子电池的工作原理及其传热和生热模型,识别生热计算所需参数—开路电压OCV及内阻R及行驶工况下的电流I。本文先基于HPPC测试获取不同SOC下内阻R及开路电压OCV数据;收集国内外常用城市工况,通过比较不同工况下所需的RMS电流,确定选用US06工况作为热管理系统评价工况。(3)基于动力电池边界,设计电池系统方案,并计算电池系统在US06工况下的生热量。基于电池生热选择热管理系统,并设计冷却板及内部流道,保证其系统尽可能温度均匀,同时设计加热系统方案,为PTC选型提供依据。(4)利用商业CFD分析软件star ccm+建立热管理系统仿真模型,先对流道流场进行分析,得到不同流量下流道的压降,确定冷却系统最大流量。而后对热管理系统温度场进行仿真分析,结果表明单个芯体平均生热功率3.29时,最高电芯温度35.70℃,最低电芯温度为31.85℃。芯体最大温差3.85℃,满足设计要求。(5)试制动力电池系统样件,并设计热管理系统验证试验,得到电池在US06工况下电池最高温度38℃,最大温差5℃,达成设计目标。而后设计热管理系统标定试验,对冷却流量、冷却液入口温度及冷却开启温度进行标定。