EV直流快充场景的动力电池组冷却技术研究

作     者：翟志气 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于远彬

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：直流快充 直冷热管理 电池温均性 数值计算 

摘      要：交通是全球二氧化碳排放的主要来源之一,燃油汽车在行驶过程中所产生的尾气排放导致了空气污染和温室效应。为了应对这一挑战,电动汽车已经成为汽车产业发展的重要方向。为了缓解电动汽车的补能焦虑,行业对动力电池提出了越来越高的快充要求,而电池快速充电过程中的生热量会急剧上升,需要采用良好的电池冷却手段进行干预。因此针对新能源汽车在快充时电池温升较快这一问题,本文开展快充冷却技术的研究,旨在推动动力电池热管理领域的发展。依托某校企合作专项课题,以降低电池不同环境温度下快充的温度为研究目标,确保常温下快速充电时电池温度保持在25℃-35℃的范围,环境温度较高的情况下不超过45℃。此外,开始冷却后电池包的平均温升速率不应超过0.15℃/min,以此控制安全风险。 本文具体研究内容如下: 1.进行锂离子电池特性分析,对锂离子电池工作原理及生热机理进行理论分析,并通过试验的方式对电池仿真建模所需要的热物性参数进行测取,同时对电池快充特性进行研究,重点关注电池内阻、开路电压及容量随电池温度的变化情况,为后续电池组的仿真分析提供了研究基础。 2.应用GT-SUITE搭建热管理系统模型,通过对电池以及空调系统的压缩机、冷凝器、膨胀阀和直冷板的建模,搭建电池冷却回路与空调回路进行耦合。为电池模块输入快充时的各电特性MAP图以及热物性参数来计算充电发热功率和充电时间,对压缩机和膨胀阀设计并优化PI控制策略,得到压缩机启动时间以及冷板入口的边界条件,为后续电池数值计算提供了边界基础。 3.建立STAR-CCM+三维温度场数值计算模型,对冷板流道以及电池包模型进行优化,优化后的冷板温均性提升了15.8%。为不同冷却方式选取合适的物理计算模型,并通过台架试验对仿真设置进行精确度标定。系统地阐述了计算流体力学(CFD)在电池组热管理系统仿真分析中的应用,进行了监测点和仿真结果可视化设置,有助于直观理解仿真结果,从而做出更加准确的设计决策。 4.对数值计算结果进行分析并进行优化,从温度矢量云图和监测点温度的角度对比分析不同冷却方式的效果。以无冷却模型电池的温升情况为基准,对液冷和直冷的冷却能力进行衡量并进行不同方位的对比,包括温度最值、温差、温升速率、响应时间、平均温度变化趋势、温度波动性、同步性分析等。结果表明:常温快充时,直冷冷却的效果最好,电池平均温度比无冷却时降低了3.37℃;而液冷的冷却效果只比无冷却时降低了1.9℃。高温快充时,直冷表现更加优秀,平均温度比无冷却时降低了12.53℃;而液冷的冷却效果只比无冷却时降低了5.97℃。常温快充时,采取直冷冷却模组上方的温差为2.92℃持平于液冷的2.87°C,高温快充时,采取直冷冷却模组上方的温差为5.27°C优于液冷的10.01°C,但在电芯高度方向出现了较大的温差9.363°C,针对此问题进行电池纵向传热优化,通过更换导热材料和调整电池结构减小了20.0%的纵向温差。