电动汽车磷酸铁锂电池组风冷散热系统研究

推动电动汽车的发展对解决全球范围内的能源短缺、气候变化和环境污染具有战略性的意义。电池技术是电动汽车三大核心技术之一,磷酸铁锂电池因其能量密度大、充放电电压高、自放电率低等优点被广泛应用于电动汽车领域。电池本身制造误差和使用误差易造成电池组各单体电池生热不同,使得电池组温度过高或温差过大;同时温度问题反过来造成磷酸铁锂电池的充放电效率及充放电状态的差异性加剧,甚至可能造成电池组热失控或爆炸现象。因此,基于电池组最高温度和温差两大目标进行电池组热管理系统设计对提高电池组安全性和可靠性具有重要意义。强制风冷散热系统因其结构简单、成本低、易于操作控制等优点在电池热管理系统中具有重要的应用价值。本文采用实验与CFD仿真分析相结合的方法对磷酸铁锂电池组风冷散热效果进行研究。首先搭建磷酸铁锂单体电池和电池组的充放电实验平台,对不同充放电倍率下电池的电压特性和温度特性进行分析;之后以磷酸铁锂电池的生热机理和电池组实验数据为基础建立电池组风冷散热结构的三维仿真模型,进行2C放电倍率下电池组风冷散热效果的仿真分析。电池组表面温度、温差的仿真结果与实验结果具有较高吻合度,验证了CFD仿真分析方法的可靠性;然后以空气进风角度、空气出风角度和电池间间距的布置形式为设计变量,通过单因素变量分析和正交试验方法对强制风冷散热结构进行优化设计。极差分析得出了各因素的最佳水平组合,结构优化模型的散热效果较初始模型得到了较大改善。方差分析从误差项的角度对各因素的显著性水平进行考察,为风冷散热结构的进一步优化研究指明了方向;最后在结构优化模型的基础上,提出了一种空气循环流动的风冷散热装置。从空气流动循环周期和周期间隙两个角度对空气循环流动的风冷散热策略进行了研究,电池组各单体电池温差降低,各单体电池温度一致性得到改善。综上所述,优化后强制风冷散热系统可以很好地满足磷酸铁锂电池组的散热要求,研究方法和研究成果都具有重要的工程意义。