电动汽车电池热特性及电池组风冷散热研究

电动汽车电池热特性及电池组风冷散热研究本文在国家自然科学基金(No.51675258,51261024,51075372)、江西省科技计划项目(No.20141BBE50021)和鸥瑞智诺能源科技(天津)有限公司资助下,针对当前电动汽车领域,电池组在工作过程中热量积累过多、箱体内部温度过高、对环境适应能力差,致使动力电池组在热滥用条件下工作时,出现电池性能下降,循环寿命缩短等一系列问题。首先,分析了目前电池模组主要的排列方式以及电池箱体散热结构特点,有相关学者只研究了箱体进风口开设对箱体内部温度场分布的影响,却未对出风口做过多研究,本文结合圆柱电池特点,首先提出了在箱体不同位置处开设进、出风口结构;其次,运用实验结合计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真的方法,采用18650型号的圆柱电池建立二维模型,研究了电池箱不同排列及进、出风口开设下,在同一风速时,箱体内部的温度场、速度场变化规律;最后,运用相关实验及CFD仿真,研究了圆柱电池三维模型在不同排列下,其风冷散热的有效性以及所存在的局限性,为后续电池组热管理系统设计提供理论指导以及可靠性依据,甚至还可以节省热管理系统开发成本等。本文研究对象为目前主流的车用锂离子电池,主要是从如下几个方面来做的研究:1、论述了本研究方向的选题背景及研究意义,综述了电动汽车动力电池的发展、动力电池热管理系统国内外研究现状,分析了目前热管理系统所存在的优点及不足,基于此,提出了本论文的研究内容和创新点。

2、考虑到锂离子电池的结构特点,对不同结构的电池进行了生热机理分析,对其电池热物性参数进行了计算,同时,在直角坐标系及圆柱坐标系下按照动量、质量以及能量守恒定律分别建立了不同结构下的导热微分方程,为后续电池温度场研究奠定基础。

3、针对锂离子电池单体做了不同温度下的充放电容量测试以

及不同放电倍率下的温升实验,从中得出环境温度对电池充放电性能的影响以及放电倍率不同对电池内部温升的影响。建立了单体热效应模型,仿真计算单体不同放电倍率(0.5C/1C/1.5C/2C)下的温升变化,在实验中通过对单体不同部位粘贴热电偶,采集实验数据与仿真结果做对比分析,验证其所建电池三维热效应模型的可行性,也同时证明对电池热管理设计的必要性。

4、在电池组平行排列、叉形排列以及梯形排列下,通过在箱体不同位置处开设进、出风口。进风口正对于电池单体或电池间隙;出风口正对于电池单体或电池间隙,建立了18650型号的圆柱电池组二维热效应模型。通过横、纵向对比,得出电池组:相同排列方式下,箱体进、出风口开设最优开设方案;不同排列方式下,最优排列方案。

5、由于二维排列下,进、出风口开设在同一平面,只能看出进出风口开设对电池箱内温度场和速度场分布的影响,没能够真正反映出电池箱风冷散热的效果,这是因为在热胀冷缩效应下,受热气体膨胀,密度减小,致使热空气上升,冷空气下降所导致的,所以,有必要建立电池组三维模型,研究风冷对电池组散热的有效性。故建立了圆柱电池两种不同排列下的三维模型,利用CFD软件,仿真了在恒倍率放电、不同风速(0.3m/s、0.7m/s、1.5m/s)下的电池组温度场分布,并对其温升数据做了对比分析:搭建了风冷散热实验平台,通过实验研究了不同风速下风冷散热的效果,并做了数据对比分析,验证了风冷散热的有效性。

6、最后对本论文所研究的内容作了总结,并对后续的研究做了进一步说明。