电池包热管理强化传热设计及分析

随着全球能源和环境问题的出现,世界各国加大了对清洁新能源的利用与研发,对新能源汽车的研发是其中重要的部分。动力电池作为新能源汽车的核心之一随之得到了重视。电池热管理系统是动力电池管理系统中的重要组成部分。电池温度过高会使得电池性能急剧下降,甚至会产生热失控。电池温度的一致性变差使得电池循环寿命降低。外界环境温度过低,又会造成电池电化学反应过慢,影响电池正常的充放电,甚至会使得电池丧失电化学反应活性,无法工作。所以建立有效的电池热管理系统是电池正常工作的充分条件。本文的研究工作总结了当今的电池热管理方式以及研究现状。现阶段电池热管理系统的方式主要有空冷、液冷、相变材料冷却和混合冷却。另外本文归纳了仿真技术在热管理方面的应用发展,以突出本文研究方法的合理性。然后本文针对空冷、液冷和混合冷却三种热管理方式以及电池的预热方式进行了CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真研究,主要的研究内容如下:本文对空冷电池组、液体冷却及预热电池组和混合冷却及预热电池组进行了设计、建模和仿真及强化传热分析。首先设计了电池模组结构和空冷电池组箱体结构,并通过仿真分析找出了模组内的电池在不同入口结构和不同入口条件下的温变规律,并且从传热理论角度分析了规律的内在原因,从而进一步提出改进措施。通过分析得出空冷电池组在1C放电倍率下可以控制模组温均性,相对于液冷具有结构简单和轻量化的优势。但是空冷结构在电池2C放电倍率下显示出了温度的不可控性,由此设计了液冷电池组。本文设计了液体电池组的冷却及预热结构。通过归纳不同工况下模组内不同位置处电池的温变规律并结合传热理论分析,得出了造成此温变规律的内在原因,并以此为参考进行电池组结构强化传热设计,包括增强电池组内部导热措施以及增加流道液流出口。然后通过前后仿真数据的比较突出改进后的结构在控温效果上的优势,证明改进后的冷却和预热结构的有效性和理论分析的合理性。为了改善液体冷却及预热方式的控温效果,本文在液体冷却和预热模型的基础上加入了风扇,进行内部扰流。并且结合传热理论和仿真结果分析了这种加入风扇的混合方式对电池组的控温效果,总结了不同工况下温变的规律性。通过与之前液体冷却预热方式的数据结果对比与分析,证明了混合方式控温的有效性以及理论分析的合理性。本文通过CFD分析得出:从电池组冷却角度来看,电池在1C倍率放电条件下,空冷电池组能够满足控温需求,而且较于液冷电池组更加结构简单而且轻量化。而且通过增加入口风作用面积可以有效地提高模组温均性。但是液冷电池组较于空冷电池组,在2C倍率放电条件下可以更好地控制温升以及满足电池组温均性需求。而且通过对电池包液冷结构的强化设计可以保证电池在2C放电条件下,电池间的温度极差可以较先前有明显的提高。本文总结了电池组一系列的温变规律,比如随着液流量的增加温度极差随之降低但是降低幅度逐渐减少,而且随着入口液温的降低模组内部温度极差变化率增加。对于混冷电池组而言,混冷模式较之液冷能够增强冷却控温效果,尤其是降低了模组的温度极差。降低幅度达到16%~17.7%。对于电池组预热而言,本文通过传热理论与仿真数据相结合的方式得出预热温度响应时间的影响因素主要是:1.入口液温与电池初始温度间的温差。2.液流通道内部流动方式。并由此改进了流道的方式,而且实现了更好的控温效果,比如降低了预热温度响应时间将近21.7%。另外本文得出:混合预热方式较于液体预热方式可以实现更高的预热效率,降低温度响应时间将近34.9%。最终通过对不同预热方式下温度变化的规律性分析,得出了四种预热方式的温变规律,最终确定了最佳的预热方式是多出口液流混合预热,在温度响应时间上较三出口预热方式降低了48%。