电动汽车锂离子电池组散热结构优化研究

随着环境污染和能源紧缺等问题的日益加剧,近年来发展迅速的电动汽车,由于低能耗与零排放的双重优势而受到政府与社会的大力支持。然而,电动汽车的核心部件是动力电池,温度对电池性能产生显著的影响。电池充放电过程产生的热量如果不能及时排出,将导致电池充放电性能衰减、加速老化,甚至出现热失控或爆炸。因此,采用高效的电池热管理系统对提高动力电池的使用寿命,使电池在安全的温度下对外输出最大功率,具有重要意义。本文将实验研究与数值分析相结合,以锂离子电池组为研究对象,以电池组的生热、传热、散热为研究主线,以电池组最高温度或温差最低为目标,分别研究风冷和液冷条件下电池组散热结构的优化设计问题。具体研究内容如下:1.实验研究了锂离子电池单体在不同环境温度下的放电电压、欧姆内阻、库伦效率和电池温度分布特性,以及电池在不同充放电工况下的温升现象。2.设计电池组风冷散热系统,实验研究在自然对流和强制风冷条件下,电池组在不同放电倍率下的温升效应。建立锂离子电池组“热—流”耦合传热的数值计算模型,以电池内阻得到的各电池发热功率为体积热源,仿真分析强制风冷、2C放电工况下的电池组温升响应。在仿真分析结果得到实验确认的基础上,采用正交试验优化设计方法,以电池组的最高温度和温差为评价指标,综合考虑进风角度、出风角度及电池间距对电池组风冷散热效果的影响,得到了散热效果显著改善的风冷散热结构。3.根据液体传热机理,设计了内含微冷却管的冷却板传热装置,考虑在冷却板两侧粘贴硅发热片模拟电池组的发热效果,建立“热—流”耦合传热的数值计算模型以分析冷却板的散热效果。采用正交试验优化设计方法,以最高温度最低为目标对冷却板进行结构优化,获得散热效果显著改善的冷却板结构,并通过实验验证冷却板的散热效果。最后,以冷却板最高温度和质量最小为目标,将正交试验方法与迭代法相结合,对冷却板进行了多目标优化设计。4.基于冷却板的优化设计成果,制作了电池组液冷散热系统进行2C恒流放电,得到电池组各电池上、下部的温度。然后对实验工况进行仿真分析,得到了与实验基本一致的仿真结果。在此基础上,仿真研究了冷却液入口温度、冷却液流量对电池组最高温度的影响;仿真分析了冷却管曲率直径对电池组最高温度、压力差的影响。综上所述,通过散热系统结构的优化设计,可以有效改善动力电池的升温效应,研究成果具有重要的工程应用价值