动力电池热管理系统温控性能实验与数值模拟研究

由于电动汽车在节能和减排等方面的显著优点,近年来得到了国家及社会的大力支持和发展。动力电池作为电动汽车的关键零部件,其性能受温度的影响明显,热管理对电池的充放电性能、可靠性和寿命至关重要。本文基于两种不同类型的动力电池热管理方式,分别提出了具体的热管理方案和结构,对其温控性能开展了数值模拟和实验研究,阐明了关键因素对其温控性能的影响规律,同时从传热学角度证实了方案的可行性。(1)以商用20A·h方形磷酸铁锂电池(LiFePO_4)为研究对象,进行不同环境温度下单体动力电池放电容量、放电电压测试,发现温度对动力电池放电容量、放电电压平台影响显著;基于HPPC脉冲试验,获得了电池内阻、开路电压随温度及SOC的变化规律;通过单体动力电池高倍率放电时表面温升及特性测试,指出动力电池组工作时热管理的必要性。(2)建立单体动力电池产热与传热模型,利用COMSOL Multiphysics软件对单体电池在3C倍率放电状态下的热量传递过程开展了数值模拟研究。结果表明,1)单体动力电池3C倍率放电时,最高温度57.2℃,温升速率约为0.04℃/s;2)实验测量温度值和数值仿真温度值基本吻合,验证了所建立的单体动力电池产热与传热模型的准确性。上述研究获得的温度分布特性以及建立的单体传热模型为后续热管理系统设计提供指导。(3)提出兼顾冷却和预热的液体浸没式热管理方案,与典型的基于热管的热管理方案比较,采用数值模拟和实验的方法研究两种不同类型的动力电池热管理系统的温控性能。结果表明,1)浸没式动力电池组热管理系统温控性能优于基于热管的动力电池组热管理系统温控性能;2)浸没式动力电池组热管理系统同时兼顾加热——冷却双重功能,-10℃状态的电池模组完成预热工况后,基本满足低温启动要求,当电池模组3C倍率放电时,测点最高温度为37.9℃,最大温差1.99℃;3)基于热管的动力电池组热管理系统中,电池模组3C倍率放电时,最高温度43.9℃,最大温差3.3℃;4)实验结果与仿真结果基本吻合,验证了计算模型的正确性,说明此模型可以用于这类热管理系统的设计。