直冷式动力电池热管理性能分析

发布时间：2020-11-20 01:34

　　 随着电动汽车动力性、续航里程、充电速率等要求的提高,动力电池热管理及其热安全越来越受到关注,快速响应冷却和过热应急冷却的管控能力有待提升。同时,热管理系统的轻量化、紧凑化和集成化也越来越受到重视。为此,研究工作针对动力电池热泵制冷剂直接冷却热管理技术,利用数值仿真方法探究直冷式电池热管理基本性能。高效的热管理系统,不仅要快速将电池组温度控制在合理区间,还要均衡各单体的温度差异,使电池始终工作在最佳状态,为此研究工作主要以电池最高温度和温差作为热管理性能的评判依据。采用电池模组冷板底置的直冷换热结构,设计流道结构及流程尺度,优选出利于模组传热且兼顾板内流动的三流程蛇形流道冷板结构。并采用加设高导热片作为冷板肋片来增强传热以提高电池模组温均性水平,在对比不同布置形式与厚度后,选择将高导热片布置在电池单体及模组两侧,实现组内最大温差的显著降低。在设计电池模组整体结构基础上,围绕直冷系统主控因素的热流变参数,探究不同放电倍率下直冷过程中制冷剂入口流量、蒸发压力、以及电池初始温度的冷却作用效果及其基本特征规律。为提高电池温控效果,采用梯级参变热控方法,根据电池不同放电阶段的冷却需求采用应时强度冷却,譬如通过调节压缩机转速或膨胀阀开度等方式改变制冷剂参数,达到冷却初期电池模组高温降响应性,后逐步趋于温均性保障的控制模式,并维持电池在适宜温度区间。算例表明,电池模组1C放电条件下的最高温度和温均性具有维持20.83℃和1.22℃的温控潜力。电动汽车动力性增强会引起电池大负荷变动,随之产热波动也将增大。研究工作对电池变负荷放电下直冷系统动态调节的应对性进行了模拟分析,并以典型的简单线性负荷工况为算例,探究其中的基本变动特性,以便认识更复杂的动态工况控制特征,特别是热管理控制的跟随性规律。根据压缩机转速和电子膨胀阀控制原则,分别采用制冷剂恒压变流与恒流变压线性调节方案,着重认识调参幅度与变化时域对电池温变的影响,并围绕流量与压力的协同调控增效性展开讨论。分析表明,通过双参数调节可以有效抑制电池变负荷工况的温升,算例范围内可以将电池1C至2C变负荷放电的各区温度变动值均维持在1℃以内,有效支撑了电池模组动态放电过程中的温度稳定性,并为更趋复杂的客观工况分析提供了可行性基础。鉴于直冷式动力电池热管理还处于技术应用的前沿领域,有待更广泛深入的探索和控制应用。本文仅以仿真分析手段探究了蒸发冷板、热流变参数和动态负荷调节基本特性,为推进今后积极探索动力电池直冷热控方案提供一定参考和帮助。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U469.72
【部分图文】：

第 1 章 绪论研究背景及意义汽车工业迅猛发展，传统燃油汽车又过分依赖石油等资源，污染问题引起了世界各国的重视。汽车节能成为新一代的主行业未来发展的重中之重。尤其是 21 世纪以来，在各国政府新能源汽车在全球范围内呈现出良好的发展态势[1-2]，2018 年200 余万辆，我国作为汽车生产大国，近年来电动汽车产销量-4]。图 1.1 所示为《中国新能源汽车行业市场前瞻与投资战略规13~2018 年中国新能源汽车销量统计及增长情况。数据表示，2销售 125.62 万辆，同比增长 61.74%，其中纯电动汽车销量为.83%，可见纯电动汽车作为新能源车的主要发展方向，市场前

一路进入乘员舱蒸发器进行冷气供应，一路经膨胀阀后直接进入电池包内完成电池冷却，最后两支路制冷剂汇合进入压缩机，开始新的循环。可见与风冷和液冷相比，电池直冷方式的换热过程更为直接、高效、封闭、紧凑，随着电动汽车市场对续航里程、能量密度、电池容量、充电速率等性能提出更高的诉求，制冷剂直冷方式可以作为未来动力电池热管理的一种可靠选择。a）风冷方式

吉林大学硕士学位论文在制冷剂直冷方面，宝马 i3 采用高效紧凑的直冷式电池热管理方案，将空调蒸发器设计在电池模组中，即将冷板安装在电池底部与之紧密贴合，采用微通道铝管设计，并增设了用于加热的电加热丝，制冷剂采用车载空调冷媒 R134a，冷板内部流道为 2P2S模式，为增强散热均匀性，制冷剂从每行模块的中间流入，随后从两侧流出。宝马 X5电池包由 6 个电池模组排布两层组成，冷却系统直接连接到车辆空调系统，冷板同样分为两层分别对上下电池模组进行冷却，并采用多通道设计，能同时实现整个电池包的结构轻量化和温度一致性，从而将电池间的温差保持在非常低的范围。宝马 i3 和 X5 两车型的电池冷却结构示意图如图 1.3 所示[35]。
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