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电池成组液流热控及其强化增效实验分析

【摘要】:动力电池是新能源汽车的关键部件,其工作状态影响着整车的动力性能。然而,电池电化学反应工作性能受温度影响十分明显,温度过高或一致性变差会使电池性能急剧衰减,循环寿命降低,甚至出现安全隐患;而外界环境温度温度过低,又会造成电池电化学反应活性下降,无法保障电池良好的工作性能。因此,开展高效的电池热管理研究工作是提升动力电池工作性能和安全性的关键。首先,从电池热管理领域的国内外研究现状可以看出,液体式电池热管理系统拥有换热系数高、比热容大、换热速度快等优点,能够显著提升电池组冷却能力,保障其工作温度。但是,以往的液体冷却结构存在换热结构复杂、电池包内液体量大、包内部液流易泄露等问题,因此本文从传热结构轻量化、电池组安全性和温度一致性提升等角度,针对目前电动汽车广泛使用的片状电池和圆柱状电池,设计了5种非内流式液体换热结构,该结构特点是换热流体在电池组外部流动,内部使用导热片在电池和流体之间传递热量。该换热结构采用了铜导热片材料,并用0.5mm石墨片做替代导热片和添加0.025mm石墨膜套装的方法,实现对导热片的传热优化。其次,为电池模组匹配了充放电系统,设计电池热管理实验系统,搭建了相应的实验台架,提出了电池热管理实验方法和评价指标。同时,根据实验数据采集与控制需求,建立了NI采集控制系统,匹配了相应的数据采集和控制输出硬件,并使用Lab VIEW软件设计了数据采集与控制虚拟仪器,编写了相应的测控程序。该测控系统实现了对热管理实验中电池温度、液流量、电池电压等参数的实时采集、显示、处理和存储以及控制实验系统运行等功能。最后,开展了片状电池模组热管理实验性能研究,测量了电池组在高、中、低放电倍率下的发热功率和基本冷却特性,分析了液流入口温度和流量的影响作用,提出了温度梯级冷却的方法来改善电池冷却过程温度波动过大和冷冲击现象,同时,对导热片及其组合形式进行了优选分析。实验结果表明,电池组的发热功率和冷却平衡温度随放电倍率增大而增加,平衡时间逐渐减小,其中,在中、低倍率进行放电时电池组具有较好的非平衡态和平衡态温度一致性,而高倍率放电时电池温度一致性有待提高。此外,随液流入口温度增大,冷却平衡时间逐渐减少,电池的平衡温度和一致性逐渐升高。将电池组导热翅片由9片减少到5片进行轻量化改进,在总质量上和所占空间上减少了近45%,将电池组进行中低倍率放电发现,该结构具有较好的冷却效果。使用0.5mm厚度天然石墨片作为替代导热片开展相同工况电池冷却对比实验,实验结果表明,改变换热结构后平衡态和非平衡态时电池间温度一致性和电池单体温度一致性得到了改善。同时,为进一步降低换热结构热阻,使用0.025mm人工合成石墨膜贴附在电池表面组成高导热套装结构,结果表明,该优化结构能够实现良好的电池热管理效果,尤其在高放电倍率下,能够明显提升电池组温度一致性。

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