电动挖掘机锂电池组的散热研究

为解决日益严重的空气污染和化石能源枯竭的问题,同时为了克服在低氧高湿环境下燃油机燃烧效率低下的问题,推广使用电动工程车辆是目前工程车辆的一个发展方向。而动力电池组作为电动车辆的能量来源,是电动汽车最关键的部件之一。而要满足工程车辆对工作电压、放电电流和续航时间的要求,电动工程车辆的电池组往往需要大量的单体电池串并联。而为了避免差异性,延长电池组使用寿命,需要使用相同的电池单体,并且保证电池单体在相近的环境温度下工作。除此之外,磷酸铁锂电池组作为动力电池,有比能量高,工作电压高,寿命长等优势,是目前作为动力电池的最佳选择之一。但是其热性能不稳定,放电温度不能大于60℃,最佳放电温度在35℃以下,在一些恶劣的工作环境下,高功率工况工作时,温度很容易升到60℃以上。针对电动挖掘机的电池组进行成组和热管理设计,为了简化结构,增加安全性,使用风冷散热系统。通过结构优化和创新性的使用滤板,并控制滤板不同区域滤板开孔率的方式优化了散热效果并且降低了温度的不均衡性。论文主要内容如下:1、根据挖掘机的额定工作电压、功率和单次充电可工作时间等参数,选定单体电池,并分析串并联方式,通过串并联建立该电动挖掘机的电池组。2、建立空气冷却系统,进行热力学计算,计算生热量和传热速率。3、通过Icepak仿真结合理论分析,阐述了结构优化对于空气散热系统散热效果的优化作用。证明并行口的角度在0~10°时,在0°时散热效果最优;讨论并验证了增加空气扩散距离对风冷散热效果有着明显改善,且增加距离为200mm时散热效果最优。4、创新性地提出了通过滤板优化风冷散热效果,并初步讨论开孔率和安装位置对其的影响,证明其对风冷散热效果的显著的优化效果。并在单一开孔率滤板已经有出色的优化效果的基础上,提出按照散热效果划分滤板区域,并采用变开孔率的开孔率设置方案,即对应的区域电池温度高,散热差则开孔率增加;区域电池温度低,散热好则开孔率降低。这种方法的最高温度,平均温度,温度标准差分别为34.24℃,27.76℃,1.911℃,比扩散距离优化方法的最高温度,平均温度,温度标准差分别降低了14.82℃,2.38℃,1.06℃;比单一开孔率滤板(开孔率(37)=0.1)降低了2.64℃,0.35℃,0.102℃。优化效果十分明显。5、在验证散热系统可以满足电动车辆高功率工况下的散热(电池组最高温度34.2388℃,在锂动力电池最适宜的温度区间内)的基础上,提出根据工况的不同和温度的反馈控制风速,维持电池组温度恒定。在电动车两种典型工况使用不同的风速:功率为30kW的工况时使用10m/s的风速,功率为10kW的工况时使用2m/s风速。后来讨论了传统PID控制方法和模糊PID控制法,在温度反馈有时滞性,和强非线性的情况下,使用模糊PID控制法对风速进行反馈控制。结果表明结构优化后加入变开孔率的滤板的方案的散热优化效果十分明显,能够满足电动挖掘机散热需求,并在此基础上提出的根据工况和温度调节风速的方案有效的降低了电池组散热系统功耗。为电池组散热设计提供了有用的参考。