動力電池包熱管理設計與優化分析

熱設計 2022-04-15

1引言

隨著新能源汽車的行業的發展,動力電池包的熱失控問題成為其發展的障礙;復雜的工況和高溫會導致電池系統溫度迅速升高,影響電池的反應性能和循環壽命,甚至影響熱安全?目前采用水冷板式液流換熱結構,PCM相變散熱結構基本上能夠滿足電池高溫冷卻的需要;但是難以保證電池系統溫差波動范圍在5℃以內;目前熱管理的側重在于如何控制系統的溫差?

電池包熱管理主要分為:低溫加熱和高溫散熱;當環境溫度過低時,必須對電池包采取加熱才能進行充電,運行時,由于電芯發熱,必須對電池包進行水冷散熱?電池包不僅要保證溫度合適,而且必須保證電池包內部電芯間的溫差合適?才能保證新能源汽車的續航里程和電芯的使用壽命,以及汽車的安全性?

為保證電池包在工作時溫度處在合適的范圍,并且電芯間溫差也能在適當的范圍內?本文采用Ansys-fluent對目前流行的液體循環冷暖一體化熱控方式(運用流體回路進行液冷液熱)的某款電池包液冷回路進行壓降分析,根據仿真結果優化液冷流道設計,在滿足散熱和加熱情況下,改善散熱和加熱時系統的溫度均勻性,并通過實驗驗證設計的合理性?本文汽車電池包加熱溫差控制范圍在10℃以內;散熱時溫差范圍控制在5℃以內?

2仿真模型以及邊界條件

流場分析模型為流道以及水室的內部空間,冷卻液為50%的乙二醇水溶液,粘度為3.39mPa·s(常溫);網格為多面體網格?

3仿真輸入

在高溫45℃的環境溫度,1C充放電條件下進行液冷測試,在低溫-20℃的環境溫度下進行液熱測試;水冷管入口流量均為15L/min,入口水溫均為20℃;冷卻液為乙二醇水溶液(乙二醇占50%)?測試設備為新水冷測試平臺,星云充放電設備?

4仿真輸出

在入口流量為15L/min,出口設置為0Pa的條件下,通過fluent對系統的流道進行壓降分析,得到圖2所示的流道壓降圖?

根據初始的壓降分析結果可知:尾部雙層口琴管處壓降相較于前面單層水冷板的壓降小,容易導致加熱和散熱不均勻,可將尾部三通接口與雙層水冷管水室連接處的管徑減小,從而使各并聯回路中壓降平衡?優化后的壓降分析結果,如圖3所示:

優化后的各并聯回路的壓降較之前更加均勻,流阻稍有偏大?

5實驗測試結果

根據仿真分析后,將優化前?后兩種箱體放入水冷測試平臺溫箱中,利用星云充放電設備進行高溫水冷工況以及低溫加熱工況的測試;優化前后的箱體僅僅是水管不同,只需要更換水管即可,進行兩種箱體的測試?測試實際圖片,如圖4所示:

5.1高溫冷卻工況結果

在環境溫度為40℃的溫箱中,設置水冷管入口流量為15L/min,入口溫度為20℃,1C放電工況下;測試得到優化前后的系統隨溫度變化曲線圖,溫差曲線如下圖5?圖6所示:優化前電池包整體的溫度隨時間降,可知水冷效果滿足要求;放電結束時刻最高溫度35.1℃,最大溫差4.7℃,滿足熱設計要求?優化后電池包整體的溫度隨時間降,可知水冷效果滿足要求;實驗結束最高溫度35.9℃?最大溫差3.2℃,滿足熱管理要求,溫差相對于優化前降低1.5℃?