某纯电动汽车电池模组散热结构设计与热分析

摘要

随着人们对生活环境的要求越来越高，绿水青山成为人们的美好愿景，零污染的新能源汽车备受关注，民众对新能源汽车的长续航高性能的要求越来越强烈。电池系统是新能源汽车的关键零部件，其性能的优劣是影响新能源汽车实现突破的关键因素。电池对温度十分敏感，电池工作在合适的温度区间才会稳定发挥高性能，温度过高使电池的容量以及输出性能下降，更严重的使电池产生热失控，对行驶安全性存在严重威胁，因此必须对电池组的散热系统进行合理的设计来保证电池正常工作。本文基于某款纯电动汽车电池系统对电池模组的散热结构展开研究。　　本文结合该车型电池系统主要参数，对电池系统内模组的串并联进行设计，结合开发车型的尺寸以及电池容量，通过对比目前市场主流的散热方式，确定了电池系统的散热方式为液冷散热。　　首先分析锂电池生热原理与热传递特性，对该电池系统所采用的单体电池做温升和内阻的热特性实验。结合锂电池物性参数建立了单体电池的数值模型，模拟仿真的边界条件与实验条件设置一致，电池的发热功率通过UDF编程进行加载，将仿真结果与实验结果进行对比，验证了所建立的热模型的正确性。　　其次以电池组中一个模组为研究对象，针对液冷散热设计了五种不同的冷却管道结构，采用CFD仿真手段，来模拟五种结构冷却管道对电池模组散热的影响，通过对比模组的温升、温差以及温度分布均匀性，得出单进单出的蛇形冷却管散热效果最好。针对单进单出的蛇形冷却管，得出冷却管道包络角不同对电池的散热有影响，继而研究冷却管道的包络角对电池组散热的影响，通过分析包络角度的范围，设计了四种包络角度的蛇形冷却管，结合冷却管的功耗损失分析各冷却管结构下电池模组的温升、温差，得出包络角为53°的的蛇形冷却管为较优的冷却管道。　　最后基于包络角为53°的单进单出蛇形冷却管，以电池系统中的电池模组为研究对象，分析冷却介质的类型、冷却介质的温度、冷却介质的流量以及冷却介质的流动方式对电池模组散热的影响。通过仿真分析，结合电动汽车的实际情况，得到了对电池系统散热有参考价值的结论，对后续电池系统的开发有指导意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 电池热特性国内外研究现状

1.3 电池模组散热研究现状

1.3.1 空气散热

1.3.2 液体流动散热

1.3.3 相变材料散热

1.4 本文研究内容

2 电池系统结构设计

2.1 电池包基本参数

2.2 电池箱体结构设计及模型建立

2.2.1 电池箱体结构设计原则

2.2.2 电池箱体模型建立

2.3 电池成组参数设计

2.3.1 电池选型分析

2.3.2 电池成组设计

2.4 模组散热设计

2.5 本章小结

3 单体电池实验与热特性分析

3.1 锂离子电池反应原理及热特性分析

3.1.1 锂离子电池的组成

3.1.2 锂离子电池反应原理

3.1.3 锂离子电池产热特性

3.1.4 锂离子电池传热特性

3.2 锂离子电池热特性实验

3.2.1 实验平台的搭建

3.2.2 锂离子电池内阻测试实验

3.3 锂离子电池热模型的建立

3.3.1 锂电池的热物性参数

3.3.2 锂电池数值模型的确立

3.3.3 发热功率的计算

3.3.4 UDF热源函数编程

3.4 锂电池单体模型仿真分析

3.4.1 几何模型的建立

3.4.2 网格划分

3.4.3 锂离子单体电池倍率放电仿真分析

3.5 单体电池温升实验及热模型验证

3.5.1 锂电池不同放电倍率温升实验

3.5.2 模拟仿真与实验结果对比

3.6本章小结

4 锂离子电池模组液冷结构设计与数值模拟

4.1 CFD技术与理论分析

4.2 锂离子电池模组散热结构设计

4.3 不同冷却管道散热仿真分析

4.3.1 网格模型的划分

4.3.2 边界条件

4.3.3 不同冷却管道散热仿真分析

4.4 不同散热结构电池温度对比分析

4.5 蛇形冷却管包络角度分析

4.5.1 冷却管角度设计以及三维模型的建立

4.5.2 四种结构模组温度场分析

4.5.3 模组温度对比分析

4.5.4 蛇形管功耗仿真分析

4.6 本章小结

5 冷却因素对电池模组散热效果的影响分析

5.1 液冷模组的建立

5.2 液冷模组仿真参数设置

5.2.1 湍流模型的确定

5.2.2 求解方式的选择

5.3 不同冷却介质对电池模组散热效果影响分析

5.4 冷却介质的温度对电池组散热效果影响分析

5.5 冷却介质流量对电池组散热效果影响分析

5.5.1 1C放电工况下冷却介质流量对电池组散热效果的影响

5.5.2 2C放电工况下冷却介质流量对电池组散热效果的影响

5.6 冷却介质对流方式对电池组散热效果影响分析

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果