【摘 要】
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电池温度是影响纯电动汽车性能最直接的因素之一:温度过低电池容量大幅下降,续航里程减少;温度过高将可能引发电池热失控等一系列安全事故。研究发现,动力电池安全工作温度范围为25℃～40℃,最大温差应低于5℃。因此,一个高效的电池散热系统就显得尤为重要。本文将仿真分析与实验验证相结合,以锂离子电池为研究对象,分别研究了具有双层分形微通道的液冷板和仿生结构液冷板的优化设计问题。具体研究内如下:1.围绕锂离
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电池温度是影响纯电动汽车性能最直接的因素之一:温度过低电池容量大幅下降,续航里程减少;温度过高将可能引发电池热失控等一系列安全事故。研究发现,动力电池安全工作温度范围为25℃～40℃,最大温差应低于5℃。因此,一个高效的电池散热系统就显得尤为重要。本文将仿真分析与实验验证相结合,以锂离子电池为研究对象,分别研究了具有双层分形微通道的液冷板和仿生结构液冷板的优化设计问题。具体研究内如下:1.围绕锂离子电池的生热机理,分析了传统单层液冷板结构存在的温度梯度问题,设计了一种具有双层微通道的液冷板结构。研究表明,增大冷却液流量能有效降低液冷板的最高温度和温差,但过大的流量会增加冷却泵的能量消耗,给电池带来更大的负荷。降低冷却液的温度同样可以极大地降低液冷板的最高温度,但温差基本不变。在其他条件不变的情况下,选取了5种不同的外管转弯半径,对双层微通道液冷板的结构进行了优化设计。结果表明,改进后的液冷板散热性能提高,功耗降低。2.锂离子电池以2 C倍率放电,选取了相同的工况,对优化后的模型和传统的单通道模型进行了对比研究。结果表明,优化后的模型散热效果更好,进出口压力差更低,最高温度为27.9℃,较单通道液冷板下降了0.5℃;温差3.8℃,下降了1.9℃,降幅为33.3%;进出口压力差下降到10798.9 Pa,降幅为83.25%;在更低的冷却泵消耗下,散热性能可以更好地满足电池工作环境要求。3.根据双层微通道液冷板仿真得到的数据分析了多目标与液冷板温度的关系,利用STATA软件建立了温度预测模型,得出了温度回归方程。为了验证仿真结果的准确性设计了一个实验验证装置,结果表明实验与仿真结果误差维持在8%以内,液冷板散热效果仿真具有准确性,液冷板散热效果明显。4.依据仿生学的相关知识,根据人体血管模型,采用拟相似分形的方法设计了一种仿生血管结构的液冷板。在1 C、2 C和3 C三种不同放电下使用FLUENT软件研究了冷却液出口处的管距（A1、A2）、冷却液流量、液冷板的板厚、通道内管转弯半径R等因素对散热性能的影响。结果表明,管距（A1、A2）、板厚和内管转弯半径R对液冷板的散热效果有显著的影响,尤其是在3C放电下影响更甚。当A1=6 mm、A2=8 mm,板厚4 mm,内管转弯半径8 mm时,液冷板的最高温度(Tmax)为305.03 K（31.88℃）,温差（ΔT）为4.10℃。此时,在满足动力电池安全工作温度要求下结构更紧凑、系统耗能更低,更有利于动力电池液冷板标准化和实际应用。5.仿照人体血管模型将冷却液出口处进行了变宽度的优化设计,液冷板的散热性能有了很大的提升。增加入口质量流量可以提高散热能力,但要消耗更多的冷却系统耗能,综合考虑选择流量为0.020 kg/s可以实现最佳的液冷板散热性能。针对3 C放电,进行了验证实验,结果表明实验与仿真结果误差维持在8.4%以内,液冷板散热效果仿真具有准确性,液冷板散热效果明显。
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