电动汽车锂离子电池强制风冷散热特性及优化设计

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随着电动汽车的快速发展,作为电动汽车的供能装置,对电池和其性能的研究至关重要。在电池的充、放电过程中,大量的热随之产生,而电池的性能又与自身温度有关,这也使得如何对电池进行散热,成为了一个值得关注的课题。在电池的散热方式方面,三种常见的冷却方式分别为:风冷散热、液冷散热和制冷剂直接冷却散热。在散热效率上,液冷散热和制冷剂直接冷却散热均要明显强于风冷散热,但结构简单、成本低廉,这是风冷散热的主要优势。由于空气自身的比热容较小且对流换热系数不如液体,这则成为制约风冷散热能力的主要因素。如何对电池组的结构进行设计,使在相同的风冷条件下电池组的最大温度和温度均匀性均能获得改善,这是十分重要的。因此,将理论分析与仿真实验相结合,将由12个21700型锂离子动力电池单体组成的电池组作为研究对象,运用正交试验法研究进风口大小、进出口面积比、进出口水平偏心度和垂直偏心度对电池组风冷散热效果的影响,并对各因素之间的交互作用进行分析,最后对电池组的散热结构进行优化设计。主要工作内容如下所示:(1)首先通过前处理软件ICEM和仿真计算软件FLUENT,搭建21700型锂离子动力电池单体的模型,并对其进行恒流放电数值模拟。随后通过研究得到了放电倍率和对流换热系数与电池单体散热效果之间的关系。(2)随后搭建基于12个21700型锂离子单体的电池组模型,通过单因素分析研究得到了电池单体排列方式,电池组进风口风速、进风口大小、进出口面积比、进出口水平偏心度和垂直偏心度与电池组散热效果间的关系。(3)以进风口大小、进出口面积比、进出口水平偏心度和垂直偏心度为设计变量,运用正交试验的方法,结合极差分析法和方差分析法,以降低最高温度和最大温差为目标,对电池组结构进行了优化。最终不仅得知了四个因素以及它们之间的一级交互作用对电池组最大温度和最大温差影响程度的大小顺序,也得出了最优模型为:进风口大小为5cm,进出口面积比为1.5,进出口水平偏心度为0°且垂直偏心度为-20°的电池组。
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