锂离子电池组微通道液冷系统的结构设计与优化

纯电动汽车以其零污染、低能耗等优点受到广泛的重视,锂离子动力电池作为目前电动汽车的主要动力源,成为制约电动汽车性能的关键因素。随着锂离子电池的功率密度不断增大,充电及运行中的产热量很容易形成温度过高和温度分布不均匀等热安全问题,轻则影响锂离子电池的充放电效率、使用寿命以及电动汽车的续驶里程,重则引起燃烧爆炸事故。因此研究锂离子电池在不同条件下的温度分布,设计一套合理的散热系统对解决电池热安全问题具有重要意义。基于电池单体的温升特性,建立锂离子电池的生热速率模型,并结合整车典型运行工况,设计出合理的散热系统,保证电池组在高倍率持续放电的工况下,电池组的最高温度在40℃以内,电池组内单体之间的温差控制在8℃以内。本文主要从以下几点进行了深入研究:首先,利用HPPC混合功率脉冲测试对锂离子电池在不同环境温度下的内阻进行了测试,结果发现锂离子电池在前80%的放电容量内,内阻变化较小,而在后20%的放电容量内,内阻急剧上升,且环境温度越低,电池内阻越大。利用数值模拟的方法,得出电池单体的温度分布,并进行实验验证。结果表明,锂离子电池以2C倍率放电时,最高温度达到了52.58℃,超出了锂离子电池的合理工作温度范围。其次,利用MATLAB/ADVISOR仿真平台建立了纯电动汽车的动态仿真模型,结果表明纯电动汽车在三种典型动态工况下的极限电流均小于40A,为后文确定热管理系统中的电池组的放电倍率提供了数据基础。然后,搭建了电池组与微通道冷板组合的液冷散热模型,通过数值模拟计算得出:在25℃常温环境下,该散热系统能将电池组的最高温度降低到40℃以下。并对模型进行了优化。最后综合考虑系统能耗、电池组最高温度和最大温差考虑,选用7流道、流道截面长宽比为3:1的冷板,冷却液流速为0.08m/s、初始温度为25℃、采用异向进出口的方式,电池组以2C倍率恒流放电至截止电压,最终整个电池组的最高温度降低至36.68℃,在85%的放电容量内,电池组的最大温差低于5℃,在整个放电过程中,最大温差为7.88℃。最后,为解决极端低温下锂离子电池的启动问题,考虑在适当外置电源和电池自加热两种情况下,对电池组的平均温度和最大温差随时间的变化规律进行了研究。结果表明,当加热液的初始温度为20℃、进口流速为0.01m/s时,使用外置电源和电池自加热的温升速率分别为0.458℃/min、0.912℃/min。