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。