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动力电池散热系统的热流场分析与设计

王普浩  
【摘要】:动力电池的热安全问题是电动汽车所面临的关键问题之一,为保证电池的热安全本文设计了一种动力电池散热系统,同时研究了散热系统的流场分布情况对于电池温度特性的影响规律,发现散热系统的流场分布越均匀其对电池的冷却效果越好。本文以三元方形电池为研究对象,在分析单体电池的生热机理和传热机理的基础上,建立了电池单体的导热数学模型,研究得到单体电池在放热过程中的发热率及热物性参数。并通过数值方法和实验方法得到电池的温度差异小于6%,由此判断数值方法的可靠性。在建立电池组简化模型的基础上,设计了不同流道形式的多种散热结构。其中之一采用Lagrangian数乘法在结构体积不变的约束下使得流体能耗最优化,由此设计出了一种以树状分形为流体分配方式的散热结构。使用STAR-CCM+软件对各个模型进行仿真,结果表明:散热结构的流量分布越均匀则电池模组的温度一致性越好,模组的表面温度也最低。同时分析了电池放电倍率、环境温度、冷却液流速这三种因素对于电池温度场的影响情况,其中电池放电倍率因素的所占权重最大。在冷却液流速分别为0.435m/s、0.541 m/s、0.645 m/s时,电池表面的最高温度相差在0.2℃以内,该因素影响较小。建立电池包的整体几何模型,对其设计出一种散热系统,并对散热系统进行流场分析得到流量分配情况,从而结合流体流动机理及仿真结果对散热系统进行优化,得到一种非对称树状分形网格为流体分配方式的散热系统。对优化前后两个散热系统的电池包温度特性分别在其电池放电倍率为1C、1.5C、2C时进行分析,随倍率的增加电池的表面温度逐渐升高,而随电池温度的升高引起了两种系统冷却后的温度差值越来越大,优化后散热系统的冷却效果明显优于优化前系统,且优化后的散热性能随温度增加而越来越好。通过使用数值模拟方法对电池散热进行研究,并由此得出结论:随散热模型的流场分布均匀程度的提高,其对于电池的散热性能越好,电池温度随之降低,且电池的温度均匀性也随之提升,解决了电池的安全和寿命问题。基于上述结论,通过理论结合仿真的方法可优化散热系统的流场分布情况,优化后的非对称树形散热系统的流场分配更均匀,对于电池的散热效果也相应地愈加显著。


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