液冷式电池热管理系统换热特性与控制方法研究

随着能源和环境问题不断恶化,电动汽车是解决此类问题的重要手段,作为电动汽车唯一动力源的动力电池是制约电动汽车发展的重要因素。动力电池的性能受温度影响较大,温度过高会影响着电池的寿命以及安全性,温度过低会影响电池充放电的效率,电池温度分布的不一致性是电池性能不一致性的重要影响因素,因此,通过电池热管理系统使电池工作在适合的温度范围内、降低电池模块温度差异对于电动汽车的性能、寿命、安全起着至关重要的作用。本文结合国家自然基金“多动力源混合驱动工程车辆的全工况极值载荷度量与外推智能优化(No.51375202)”项目,针对动力电池温度特性、温差特性以及热管理控制策略进行分析和研究。利用CFD仿真方法分析液冷式电池换热结构换热特性和温度分布特性,并建立了基于不同环境温度电池热管理控制策略,本文主要研究内容如下:(1)建立单体电池产热模型,并计算电池的热物性参数,为CFD仿真和电池热管理控制策略制定提供理论基础。(2)建立了以15块电池为基础的液冷式电池热管理系统,通过CFD仿真软件Fluent对电池换热特性进行分析研究,主要包括冷却液入口流速、温度的影响,本文针对接触热阻对电池热管理系统换热特性影响进行分析,接触热阻会导致电池温度偏高,并且电池产热量越大,接触热阻影响越大,而电池高温冷却,接触热阻会影响电池冷却速率和冷却温度。(3)本文针对电池表面温度分布不均性进行分析,并提出改进措施,其中提高冷却液流速、改变水冷板进出水口位置、在电池与水冷板之间增加高导热性材料、改变水冷板的材料属性都可以提高电池表面温度的分布不均性,对于水冷板的材料属性,着重分析了其热物性参数的影响。具有高导热性的水冷板材料对于减少电池表面温差影响较大,而水冷板材料的热容参数对其影响较小。(4)本文分析极端高温工况下电池冷却特性,通过分析发现,较低冷却液入口温度可以提高电池冷却速率,但是,产生较大的冷却冲击,使电池温度模块的温度产生较大的温差。因此,为了提高电池冷却速率,降低电池模块温差,分级冷却的冷却方式提出,针对分级冷却的递减温差、每一级冷却时间的选择,本文通过设计正交试验的方法,分析其对电池冷却速率、温差影响重要性,并选择最优冷却组合。(5)在对电池CFD分析的基础上,针对某款车型,计算电池、电机以及冷却循环系统参数,并搭建电动汽车整车模型和电池冷却循环模型,并以此为基础,提出电池冷却系统控制方法,其控制影响因素着重考虑了电池与环境温度的温差、冷却液流速、环境温度以及制冷目标温度等,针对提出的控制方法,分别选择不同环境温度以及不同循环工况进行一维仿真分析研究。