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基于液冷的错列式平行流电池热管理研究

【摘要】:动力电池作为纯电动汽车唯一的动力源,其性能将直接制约了整个电动汽车的发展。动力电池对温度比较敏感,过高的温度会影响电池的使用性能、寿命、可靠性以及安全性,由于电池在放电过程中会产生很多热量,并且在紧凑的车在环境下积聚,温度会不断上升,因此需要设计合理的电池包冷却方案,以保证电池始终能工作在合适的范围内,同时提高不同单体间的温度均匀性。本文设计了液体冷却的电池热管理系统,并利用CFD仿真计算和实验验证相结合的方法对电池组的高温冷却进行了研究。本文在总结电动汽车及其动力电池的发展概况的基础上,进一步归纳了电池产热模型的研究现状,国内外有关动力电池热管理技术的研究现状。分析了锂离子电池的基本结构,对比了不同类型锂离子电池的性能特点,并且介绍了锂电池的工作原理,分析了其生热机理继而确定了电池单体的生热速率。接着从传热学原理角度出发,对锂离子电池进行了传热分析,包括其内部的传热方式和它与外部换热方式。接下来对锂离子采取等效替代的方法,计算了其热物性参数的等效值,包括等效比热容、等效密度、三个方向的等效导热系数等。针对成组电池,设计了错列叉排型电池液流换热结构。研究工作围绕成组电池液流系统构建模型,包括模型建立、数值模拟、计算方法和分析评价方法等。其中,系统研究了模型简化、边界条件和工况条件,开展了模型和计算方法的实验验证,以验证仿真计算模型的准确性与有效性。通过CFD仿真计算对其流动特性及电池表面温度均匀性进行了分析。结果表明,换热系统中两端区域流道的流量均大于中间区域的流道,不同电池单体上的表面温差几乎无差异。通过研究不同的冷却液入口温度、不同冷却液流量以及不同放电倍率对电池表面温度场的影响,结果发现常规流量和冷却液入口温度对电池表面的温度均匀性影响比较小,而放电倍率影响比较大,放电倍率越大,电池表面的温度均匀性越差。3C、4C时我所设计的冷却换热系统已经无法满足要求。最后对冷却系统进行优化改进,优化后的冷却效果改善很明显,即使4C功率放电,也能够保证电池最高温度维持在适宜的温度范围内,最大温差2.3℃,1C、2C放电倍率时,最大温差甚至只有1℃,说明改进后的设计完全能够满足设计时的要求。

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