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动力电池热管式散热系统研究

李辉  
【摘要】:电动汽车的发展关键取决于动力电池技术,动力电池的热管理技术是动力电池技术的关键技术之一。当前电动车要求动力电池要有较大的比能量、比功率、较高的使用的安全性以及较长的使用寿命。传统的铅酸蓄电池已经不能满足人们对电动汽车性能提出的新的要求,而锂离子动力电池拥有高比能量、使用寿命长,材料更加环保的特点,解决了电动汽车运行里程短、动力性差、电池使用寿命短等问题。电动汽车持续在大负载条件下运行时,动力电池将持续处于大倍率放电状态。此时,电池包内迅速产生大量热量,若没有完善的动力电池热管理系统将热量快速有效地散出,就有可能导致电池热失控、电解液氧化燃烧、甚至爆炸现象的发生。另外,锂离子动力电池可使用的工作温度环境为-20-60℃,最佳工作温度范围为20-50℃,为保证动力电池始终处于较佳的工作温度范围,动力电池的热管理系统是必不可少的。本文归纳总结了当前电动汽车的发展状况,在对国内外电动汽车的散热系统的研究了解基础上,设计研究了一套锂离子动力电池的热管式散热系统。该散热系统以热管散热为主,同时辅以自然风掠过热管散热翅片进行风冷。本文主要研究工作包括:第一,散热翅片的设计。确定电池包具体结构尺寸和其总发热量后,进行了散热翅片的结构设计。本文选定翅片计算域后,创建翅片计算域的三维实体模型,并进行结构网格的划分,完成网格独立性研究,通过FLUENT模拟计算得到翅片散热能力与翅片间距的规律,然后确定散热翅片的数目。第二,电池包稳态数值模拟计算。分别分析研究了锂离子动力电池工作电流对电池内阻的影响规律、环境温度对电池内阻的影响规律、以及恒流放电条件下电池的温升特性,并在此基础上得出本文动力电池的生热规律。创建电池包的三维实体模型,并进行网格划分,对模型进行简化处理后进行FLUENT的仿真模拟计算,得出稳态计算条件下的电池单体与电池包内温度场分布规律。第三,电池包的瞬态数值模拟计算。根据汽车实际行驶过程电池的不同放电规律,设定不同时间段内电池的放电电流值,得出不同时间段内电池的生热规律,通过FLUENT中的用户自定义函数添加电池生热功率随时间变化的边界条件,得出电池温度随时间变化规律。本文所设计的动力电池热管式散热系统,很好地解决了动力电池热管理中电池包内温度过高以及电池单体间温差较大的难题,为以后动力电池热管理系统的研究提供了新的思路和方向。


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