液流循环电池成组传热强化及其整车集成热管理研究

动力电池、电机是电动汽车的核心部件,其工作效能与温度紧密相关,因此,高效热管理是保障动力输出和整车性能的关键问题之一。同时,电池、电机、空调等多热力系统交织在动力舱内,各系统的热状态之间容易相互影响,为改善汽车热管理性能,进一步提升整车动力性,需要重点分析动力舱内热流动与交互问题。目前,为实现节能降耗,提高整车性能与行驶里程,电动汽车整车热管理技术正逐步走向系统集成和电-热力互补与协同。为突破上述电动汽车热管理技术关键问题,本文在国家自然科学基金项目(No.51376079)资助下针对动力电池典型结构圆柱形和薄片型设计制备管束软接触式和高导热局部浸入式两种液流换热结构和对应电池模组,并进行冷却及预热性能仿真与实验。其中,对于圆柱电池模组,电池与换热面采取弹性软接触,增加接触面积和贴合程度,提升传热效果;片状电池模组应用石墨高导热垫衬进一步实现传热强化,提升电池温度一致性。上述两种液流与电池局部接触换热形式具有良好的冷却效果和温均保障,较全接触式液流换形式进一步实现轻量化。通过热管理影响因素分析可知,液流温度对电池温变性和温均性具有重要影响,较低的冷却液温度有利于电池冷却过程热量迅速的传递,但对电池温均性不利。为进一步提升热管理过程中电池模组内温度一致性,提出变温梯级冷却方法,实现分步式小温差递进冷却,并针对温段作用和时段作用的不同温控效果进行对比分析,通过实验和仿真计算可以看出采用变温梯级冷却方法可以有效降低大温差换热下电池模组内温度波动,提升温度一致性。同时,电池与电机热管理工作过程与汽车动力性紧密相关,通常需要设计相应的热管理系统,并进一步分析不同流程结构的热管理性能。为此,利用理论表征和实验表征方法,建立基于MATLAB平台的系统模型、模块和关联算法,结合汽车动力性计算分析工作过程的热管理性能,包括车速、坡度,以及水泵、风扇、工作工况等多因素的影响作用特性。此外,在建立的热泵辅助冷却流程下,进一步分析对于电池的辅助冷却作用。通过开展的相关性能预测与仿真分析,为热管理过程准确控制奠定基础。此外,建立纯电动汽车动力舱三维实体模型并进行内部构件布局,舱内换热部件主要包括电池热管理子系统散热器、电机热管理子系统散热器和空调系统冷凝器。同时,基于Matlab一维平台利用集总参数、实验表征和理论表征方法建立电池、电机热管理一维系统,以及空调仿真系统,实现包含动力系统热管理与空调过程的一维与三维联合计算。并在传统汽车发动机冷却性能分析方法基础上,引入冷却常数K来衡量电动系统冷却效果,进一步提出电动汽车动力系统热管理分析评价方法与衡量指标来分析不同换热器布局形式下的电池、电机热管理效果以及空调系统性能。其中,重点揭示了动力系统和空调系统之间的交互热影响,并分析改变液体介质流量、风扇转速以及换热器位置等因素对这一交互热行为的作用。结果表明通过换热器布局位置的调整可以有效降低空调系统对于电动系统热管理过程的不利影响,该章节研究工作为电动汽车动力舱热管理性能评价与优化提供了依据和方法。最后,开展电动汽车热能循环应用及其蓄能装置探索工作,提出具有余热回收再利用的全液流型纯电动汽车集成热管理系统,通过液体循环介质实现整车热量整合,满足电动系统精细协同热控的同时又实现电动部件余热再利用,促进了整车电力和热力能源系统集成、互补和协同。同时针对车载应用快速蓄、放热需求,设计小尺度接触换热式PCM相变蓄热装置,具有快速的相变热传递速率。此外,为满足多温位电力单元余热回收需求,提出多融点PCM蓄热单元组合应用,同时利用融点降序和升序梯级组合排列形式提升PCM单元间相变同步性,有益于进一步提升蓄、放热速率和效能。该章内容仅为电动汽车热-电整合集成热管理工作进行了探索性研究,未来还需将蓄热装置与整车及动力系统结合开展系统集成方向的深入研究。