纯电动履带转运车锂离子电池组散热系统的设计与研究

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丘陵、山地在我国国土总面积中占比高达64%,这些地区的耕地、果园多存在地块狭小、分散且有高差,道路条件差的问题,对农作物、肥料等物资的运输造成较大的困扰。履带转运车以其对地面的单位压力小,附着力强,载重量大及行驶通过能力强等特点,能较好的适用于丘陵、山地等道路条件较差地区的农产品、肥料及其他物资的短距离运输。纯电动履带转运车在传统内燃机履带转运车的基础上,还具备振动小、使用成本低及无废气排放等优点,在日益严峻的能源问题和日益严苛的环保要求下,具有更为广阔的应用前景。但是,使用锂电池组作为能量源的履带转运车,对其电池组进行有效的热管理是保证使用安全性及使用寿命的重要条件。相关研究显示,锂离子电池工作的适宜温度区间为20℃~40℃,电池组内温差应小于5℃,过高的工作温度会加快电池老化,影响电池使用寿命,对于动力电池组,还存在因热量聚集引起电池组内温差过大的问题。尤其在我国南方丘陵山区,夏秋季水果收获过程中满载爬坡时,履带转运车动力电池组产热更为严重,若不及时进行散热,必将对电池组的使用性能及使用寿命产生负面影响,严重时还将发生热失控、起火爆炸等安全问题。因此,对纯电动履带转运车的电池组进行散热管理,具有重要意义。本文以实验和仿真相结合的方法,对课题组研制的一款主要面向我国西南丘陵山地的纯电动履带转运车实际工况下的生热情况进行研究,明确了需要进行散热管理的环境温度及工况,并设计和研究了满足纯电动履带转运车散热要求的液冷散热系统,主要工作及结论如下:(1)在分析锂电池产热机理的基础上,对纯电动履带转运车所使用的锂离子电池进行容量及内阻实验。通过在环境温度为0℃、10℃、20℃、25℃、30℃、40℃下的放电实验,得到纯电动履带转运车所使用的锂离子电池容量随温度的变化规律:在0℃~25℃范围内,电池容量随温度的升高有较大提升,在温度为25℃~40℃范围内,随着温度升高电池容量波动较小。随后在上述环境温度下,进行HPPC实验,得到电池在不同环境温度及不同荷电状态下的内阻数据。(2)对纯电动履带转运车进行实际工况电流测试,得到平路空载、坡道空载、平路重载、坡道重载四种典型工况下锂电池组的放电电流。使用实测电流数据,在0℃、25℃、40℃三种典型温度下对单体电池进行充放电实验,得到单体电池在不同环境温度下充电的温升数据及不同环境温度、不同工况下放电的温升数据。(3)根据不同温度下锂离子电池的内阻数据及实际工况电流数据,计算得出不同环境温度及工况下,该电池在整个放电周期内生热速率随时间的变化规律。使用CFD仿真软件对单体电池进行热仿真,通过与实验对比验证了以上数据及仿真方法的准确性。随后仿真研究了在0℃、25℃、40℃下,不同工况放电结束时锂电池组的温度场分布,探讨极端工况下锂电池组的温度情况,明确需要进行散热管理的环境温度及实际工况,为纯电动履带转运车的安全使用奠定了理论基础。仿真结果表明:环境温度为0℃时,平路空载工况、坡道空载工况、平路重载工况、坡道重载工况及环境温度25℃时,平路空载工况、坡道空载工况、平路重载工况下放电结束时电池组最高温度均小于40℃,自然对流能满足电池组的散热需求;环境温度25℃时,坡道重载工况及环境温度40℃时,平路空载工况、坡道空载工况、平路重载工况、坡道重载工况下放电结束时电池组最高温度分别为:45.377℃、47.425℃、48.295℃、49.697℃、53.214℃,电池组的最高温度均已超出锂电池工作的适宜温度区间,自然对流已不能满足电池组的散热需求。(4)针对纯电动履带车的实际使用场景及车身结构,设计了使用液冷板的散热系统。使用正交试验设计法安排仿真,分析了液冷板流道走向、流道截面形状以及液冷板厚度对液冷系统散热效果的影响,并确定了液冷板结构的最优组合。结果表明:流道走向对电池组最高温度影响最大,液冷板厚度次之,流道截面形状影响最小。使用最优组合的液冷系统在电池组放电结束后,电池组最高温度为32.511℃,组内最大温差为4.992℃,相较于自然对流散热,电池组高温度降低了11.681℃,最大温差降低了3.528℃,散热效果明显。(5)为进一步降低电池组内温差,设计了一种结合散热石墨片及导热柱的液冷散热结构,并仿真分析了该系统的散热性能。仿真结果表明:使用该散热系统的电池组放电结束后,最高温度为27.769℃,组内最大温差为1.633℃。搭建散热实验台进行了散热系统验证实验,并对比了实验测点温度与仿真温度,验证了模型的准确性及散热方案的有效性。最后按电池箱实际尺寸建立模型并仿真,结果表明:放电结束后电池组最高温度为34.252℃,组内最大温差为2.923℃,结合石墨片与导热柱的液冷系统能满足纯电动履带转运车的散热需求。
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