混合动力重型车动力电池热管理研究

混合动力装甲车作为新一代作战装备受到各国军队研究人员的重视,动力电池系统作为混合动力驱动电机的主要能量来源,对整车的影响至关重要。而目前主流的锂离子动力电池,其性能受温度影响比较大,温度过高、过低甚至温度不均匀分别会影响到电池的寿命、容量及一致性。因此,混合动力装甲车亟需一套有效的电池热管理系统。传统并行通风电池箱冷却结构流道进风不均匀,且对方形电池只能进行前后面“一维冷却”(本文一维冷却指对物体平行面一个方向的冷却,电池侧面和上下表面得不到冷却)。在大功率工况下运行时,已不能有效降低电池组的温度和温差。为了对其改进,本文首先提出楔形进风、梯形进风、圆孔挡板三种结构来实现均匀进风。通过CFD仿真对比,选择进风均匀的“圆孔挡板”结构进行冷却维度改进,设计出平行冷却和垂直冷却两种“二维冷却”方式(对电池前后面和侧面同时冷却)。对于后者,研究了放电倍率、环境温度、入口风量、电池间隙等参数对电池组散热特性的影响。结果表明:当环境温度为25℃,小倍率放电时,自然对流即可满足其散热需求,大倍率放电时,风冷已经不能满足其散热需求;环境温度的高低直接决定了电池表面温度的高低,当环境温度超过30℃,电池温度很容易超出适宜温度区间;出口速度反映的的是空气流量,流量越大,带走的热量也越多。但是如果考虑能耗和维护成本,流速的增加也是有限的;随着电池间隙增大,电池单体温度均匀性和电池组温度一致性均得到提高,但电池组表面最高温度反而增加。其次,参考传统重型车冷启动方式,提出一种车载燃油加热器供能的动力电池预热系统,并选取“PI电加热膜”作为对比。结果表明:PI加热膜能快速预热,但需要耗费电量;燃油加热器加热时间长,但不影响续航里程。对两种预热方式分别进行仿真分析,得到:1)暖风加热时,加热时间、入口温度、出口速度对电池温度及温差的影响;2)加热膜在恒功率加热时,电池内外温差大小与加热时间长短相互矛盾,通过在不同时刻改变加热膜功率来缩短预热时间及减小内外温差。最后,将改进后的电池模组结构应用到动力电池pack系统中。通过改变进风孔形状(圆形、方形、菱形、腰形),对电池散热系统温度场进行优化;改变暖风的进风形式(一侧进、中间上进、中间直进、五小管分别进),对电池预热系统流场进行优化。在大倍率放电下,风冷已不能满足散热需求,本文通过在圆孔挡板表面开槽,内嵌液流铝管的方式,创新性的将圆孔挡板改成“圆孔液冷板”,在不改变原结构尺寸的情况下,实现气-液双介质协同热管理。不仅增加了一种冷却介质,而且实现了电池六个表面的“三维冷却”,即使在高倍率下放电,也能将电池表面最高温度降到45℃以内,最大温差控制在5℃以内。通过本文的研究发现,单一的冷却方式已不能满足电池在高温环境、大倍率放电下的散热需求;低温环境下使用电加热为电池预热会影响到电池的续航里程。本文使用“气-液双介质”协同冷却与燃油加热器辅助预热为混合动力重型车动力电池热管理系统提供了一种设计思路。