热管理系统散热冷却建模及电池组温均控制策略研究

热管理作为保证车辆高效动力输出和整车节能的重要方法和手段,相关的研究方法在不断进步。其中将动力舱内的各种换热器、动力电池、动力系统进行耦合分析的多热力系统仿真方法可以在解决部件的传热优化及性能确定的基础上进行系统关联性分析,因此被作为热管理系统研究的主要手段之一。在这个方法的架构下,各种换热器的性能确定及三维表征、动力电池的温均控制策略、系统仿真模型与CFD仿真模型的集成等成为该方法中需要解决的重点问题。为了解决各种换热器的性能确定及三维表征、动力电池的温均控制策略、系统仿真模型与CFD仿真模型的集成问题,本文工作结合国家自然科学基金项目(No.51376079),开展热管理系统散热冷却建模及电池组温均控制策略方面的研究。在系统仿真模型与CFD仿真模型的集成问题中,主要是通过Matlab程序集成控制CFD仿真软件(如Fluent软件)进行耦合仿真来实现二者的集成。对散热部件之间的热流变特性和系统循环的瞬态关联特性进行综合,通过交互作用与影响,实现多热力系统集成优化设计的目的。其中Matlab程序负责各系统的关联、程序与模型之间的数据传递、实时边界条件的设置、CFD仿真模型的计算控制等,CFD仿真模型负责换热的计算。Matlab程序通过对批处理文件的编译实现对CFD仿真模型的模型调用、数据传递、运算设置和结果输出。并通过动力舱内的集成仿真模型,对如何实现系统仿真模型与CFD仿真模型的集成进行了描述。为了实现系统仿真模型与CFD仿真模型的集成,需要在CFD仿真模型中建立散热部件的当量模型,因此需要对散热部件例如散热器的性能进行描述。为了获得散热器的性能,本文采用了一种基于特征芯体的特征结构数学模拟方法来解决整体散热器的换热性能描述的问题。该方法首先建立了散热器局部换热芯体的CFD仿真模型,结合Matlab编译的外部一维计算程序来获得整体散热器的换热性能及空气侧的阻力特性。针对上面提到的动力电池的温均控制策略问题,首先是要解决动力电池组的换热结构的优化问题,然后在优化后的模型基础上进行传热强化及渐变控温分析。本文首先采用在块状电池底部布置液流板换热的方式建立了电池组的基本液流换热结构,开展液流体的温度、流量及电池放电倍率对电池组温度的一致性、均匀性的影响分析并建立评价方法。而后从提高动力电池组的温度均匀性的角度,分别对液流板的底置方案、流板侧置方案和流板侧置方案基础上导热强化方案进行对比分析。其中导热强化方案采用铝片和石墨片进行了对比分析,得出在保持同等重量情况下采用石墨片可以提高电池表面的温度均匀性。对比分析后在导热强化方案中0.6mm石墨片方案的基础上,提出渐变冷却及加热方案。并对冷却和加热过程中的降温及升温速率等影响因素进行分析。结论表明为保证电池表面的温度均匀性,采用渐变冷却方案时尽量采用比较长的降温时间方案。对于采用渐变加热方案时,为保证电池表面的温度均匀性尽量采用比较长的降温时间方案。电池组的高效工作依赖于热管理系统将电池组的温度保持在高效运行的温度区间并保证较好的温度一致性和均匀性。因此本文针对温均性的提升,建立了多温区热控调节策略,并利用集成仿真方法对处于动力舱内的电机散热器、电池散热器之间的相互影响进行了分析。多温区热控调节思路是将电池组的工作温度范围分成高温区、常温区、低温区进行针对性的热控以达将电池组的温度保持在高效运行的温度区间的目的。其中高温区热控策略的核心思路是采用大循环渐变冷却的方式将处于高温状态下的电池组冷却到稳定温度。其中渐变冷却方式的降温斜率与降温幅度等参数密切相关。常温区热控策略的核心思路是先采用小循环升高电池温度到设定的稳定温度值后,采用小循环与大循环相结合的方式来调整进入电池组的液流体温度使得电池组的温度保持在设定的稳定温度,以实现电池组高效运行。低温区热控策略的核心思路是采用热泵等加热模式将电池组加热到电池高效运行区间的最低值,然后采用与常温区相同的热控策略。为了应对放电倍率的变化,液流体温度的调整幅度需要根据放电倍率的情况进行调整。通过动力舱CFD模型和电池组CFD模型的集成仿真来对电池散热器和电机散热器的交互影响进行分析。