基于液冷的锂离子动力电池散热结构有限元分析.docx

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1、基于液冷的锂离子动力电池散热结构有限元分析摘要动力电池作为纯电动汽车的能量核心，其性能影响车辆行驶安全。研究电池热管理技术有助于在复杂环境下电池包保持适宜温度，确保安全运行。本文以方形铝壳电池为例，结合理论与数值仿真，进行液体冷却式动力电池散热器结构的设计和优化。首先，对锂离子电池的产热原理、生热速率和传热特性等基本概念进行了深入学习，为后续数值模拟奠定理论基础；通过运用专业仿真软件，分析电池单体在各种放电倍率下的温度变化，以及不同对流换热系数和环境温度对电池温度的影响；我们研究了在各种环境温度下，电池组在不同放电倍率下的热量分布状况,从而得出了散热系统的重要性；对两种传统液冷板的散热性能进行

2、分析，确定冷却液理想的物理参数；提出一种基于多级“Tesla阀”式冷板流道设计，通过改变流道间距、流体流向来优化冷板设计，得出理想的流道设计，其散热性能相较传统冷板有一定提升；最后在电池高温、低温环境工况下检验其散热性能，结果表明其散热性能表现理想。目前由于条件所限，无法通过相关实验来验证实际效果，也是本文中欠缺的部分，故在文中设置两组传统液冷板作为模型的参照组，达到模型优化的目的。关键词：锂离子动力电池；液冷散热；散热结构优化；动力电池热管理Finiteelementanalysisofheatdissipationstructureoflithium-ionpowerbatterybase

3、donliquidcoolingAbstractAstheenergycoreofpureelectricvehicles,theperformanceofpowerbatteriesaffectsthesafetyofvehicledriving.Thestudyofbatterythermalmanagementtechnologyhelpstomaintaintheappropriatetemperatureofthebatterypackundercomplexenvironmentandensuresafeoperation.Inthispaper,thedesignandoptim

4、izationofliquid-cooledpowerbatteryheatsinkstructureiscombinedwiththeoryandnumericalsimulation,takingsquarealuminum-casedbatteryasanexample.Firstly,thebasicconceptsofheatproductionprinciple,heatgenerationrateandheattransfercharacteristicsoflithium-ionbatteriesarestudiedindepthtolaythetheoreticalfound

5、ationforthesubsequentnumericalsimulation;throughtheuseofprofessionalsimulationsoftware,thetemperaturechangesOfbatterycellsundervariousdischargemultipliersandtheeffectsofdifferentconvectiveheattransfercoefficientsandambienttemperaturesonthebatterytemperatureareanalyzed;westudytheheatdistributionofbat

6、terypacksundervariousambienttemperaturesatdifferentdischargemultipliersTheheatdistributionofthebatterypackunderdifferentdischargemultipliersatvariousambienttemperaturesisstudied,amulti-stageTeslavalvebasedcoldplaterunnerdesignisproposed,andthecoldplatedesignisoptimizedbychangingtherunnerspacingandfl

7、uidflowdirection,andanidealrunnerdesignisderived.Finally,theheatdissipationperformancewastestedunderhighandlowtemperatureconditions,andtheresultsshowedthattheheatdissipationperformancewassatisfactory.Duetothelimitationsofthecurrentconditions,itisnotpossibletoverifytheactualeffectthroughrelevantexper

8、iments,whichisalsothemissingpartinthispaper.Therefore,twogroupsoftraditionalliquid-cooledplatesaresetasthereferencegroupofthemodelinthispapertoachievethepurposeofmodeloptimization.KeyWords:Lithium-ionpowerbattery;liquidcoolingheatdissipation;heatdissipationstructureoptimization;powerbatterythermalma

9、nagement.目录摘要OAbstract11绪论21.1 锂离子电池热管理研究背景与意义21.2 锂离子电池热管理国内外研究现状31.2.1 空气冷却31.2.3 液体冷却41.2.4 相变材料冷却51.3 本文主要研究内容62锂离子电池产热分析72.1 锂离子电池工作特性72.1.1 锂离子电池结构72.1.2 锂离子电池工作原理82.2 锂离子电池生热机理92.3 锂离子电池的传热机理102.4 锂离子电池生热速率和热物性参数112.4.1 锂离子电池生热速率112.4.2 热物参数112.5 CFD理论基础132.5.1 CFD基本控制方程132.5.2 锂离子电池电化学.热耦合模型

10、机理142.5.3 CFD仿真软件152.6 本章小结163磷酸铁锂电池单体热仿真分析173.1 锂离子电池特征参数173.2 单体电池几何模型的建立以及网格划分183.3 电池单体热特性分析193.3.1 不同放电倍率下电池单体的温度分布193.3.2 对流换热系数对电池温度的影响21333环境温度对电池特性的影响223.4 本章小结244锂离子电池组液冷散热仿真分析254.1 锂离子电池模组三维热仿真分析254.1.1 电池模组几何模型的建立254.1.2 电池组网格划分254.1.3 电池组热仿真分析264.2 锂离子电池组液冷几何模型的建立与仿真分析284.2.1 常见液冷板结构建模2

11、94.2.2 液冷模型的网格划分30423液冷模型仿真设置314.2.4 液冷仿真结果及分析334. 2.5两种液冷板散热特性分析374.3本章小结385多级“Tesla阀”式液冷板设计与仿真分析395.1 液冷板的设计及仿真分析395.1.1 流体流向对散热性能影响的验证395.1.2 液冷板流道的设计及模型前处理425.1.3 .流体流向对电池组散热的影响435.1.4 .流道间距对电池组散热的影响455.2 不同工况下对电池组的温度情况475.2.1 低温环境下工作475.2.2 高温环境下工作485.3 本章小结496结论与展望506.1 结论506.2 展望50参考文献51致谢541

12、绪论1.1锂离子电池热管理研究背景与意义近年来，随着我国新能源汽车产业的迅速发展，新能源汽车凭借其卓越性能赢得了消费者的喜爱。根据中国汽车工业协会的数据显示，截至2022年8月，新能源汽车的产量和销量分别达到了69.1万辆和66.6万辆，比去年同期增长了12%和12.4%同期增长了1.2倍和1倍，市场份额已经达到了28%,新能源汽车的保有量已经突破一千万辆，市场前景广阔。图1.1为近两年新能源汽车各月的销售图。2022年2021年图1.12021年-2022年新能源汽车销量对比图在国内，锂电池市场由国产厂商主导，磷酸铁锂电池和三元锂电池为两大代表。磷酸铁锂电池以高安全性、长寿命、耐高温和低成本

13、著称；三元锂电池则因轻质、高效率、耐低温和高能量密度受青睐。磷酸铁锂研发聚焦低温性和能量密度提升；三元锂电池则着力高银化和去钻化以降低成本。如1.2图是中国汽车动力电池行业创新联盟数据，过去三年，磷酸铁锂和三元锂占比情况，磷酸铁锂所占比例在不断增加。XUOft2021*2022*图1.2磷酸铁锂、三元锂电池装机量占比图不同于传统热机，动力电池在运作时将化学能转为电能并输出动能。化学反应中，活性物质受温度影响，使电池模块对温度敏感。为确保稳定性能，最佳工作温度应为2040C,且电池组内单体间最大温差不超过5,以防局部过热影响安全。电池运行时产生的热量不能够及时排出，会导致电池组热量堆积形成高温，

14、从而降低循环使用寿命破坏电池内部结构，引起燃烧、爆炸等安全事故。目前，电池正负极材料的研究很难有技术性突破，而开发合适的BTMS（电池热管理系统）是当下维护动力电池性能的有力解决方案。图1.3所示是新能源车的自燃事故。图L3新能源车热失控频繁发生根据传热介质的不同，BTMS可分为空气冷却、液体冷却和PCM（相变材料）冷却：空气冷却广泛应用，但效率较低、均温性差；液体冷却通过流动液体换热，具优良均温性和效率；PCM冷却利用相变材料吸收或释放热量，实现电池温控。空气冷却和液体冷却由于无法满足不同复杂工况下的散热要求，对于其优化设计的研究一直是重要科研方向。BTMS是电动汽车“三电”系统不可或缺的一

15、环，其中锂离子电池成本占到“三电”系统成本的60%，所以对于锂电池维护和使用寿命的提高显得格外重要。1-2锂离子电池热管理国内外研究现状1.2.1空气冷却空气冷却是一种常见的散热技术，利用空气作为冷却介质，通过对流换热降低电池温度。这种方法以简单设计、广泛应用和较低成本为优点，但均温性和换热效率较差。目前，研究者致力于改进风冷散热性能，主要关注风道及进出风口优化设计和电池排布设计。图L4为空气冷却系统原理图。电池组ITrm系统风扇(b)空气强制对流冷却系统图1.4两种空气冷却系统Zhang等人采用了一种基于并联空气冷却模式，在空气分配腔内加装扰流片，以改善电池散热效果。XM.Xu囿基于强制风冷的电池包不同进出方式的热流场特性比较，结果表明：电池包的最大温升和温差不仅与流量有关，也与风道结构有关。XUm等人对自然风冷的研究表明，随着进气气流的增加，汽车速度场的振幅也会线性增加，较高速度可以提高电池组的散热性能。风冷具有结构简单、技术成熟、成本低廉等优点，可实现对电池工作温度的有效调控，但受冷却剂及电池壳体结构等因素影响，导致其均温性能较差。此外空气冷却的结构决定了整个电池组无法密封，安全风险高，本文对空气冷却不再研究。1.2.3液体冷却液冷是一