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原文传递某电动汽车动力电池组液冷散热分析与优化

论文题名：	某电动汽车动力电池组液冷散热分析与优化
关键词：	电动汽车;锂离子电池;热管理;散热性能
摘要：	在节能减排的背景下，发展新能源汽车是解决能源危机和环境污染问题的关键决策。锂离子电池作为电动汽车的动力源，电动汽车行驶工况复杂多变，极易出现动力电池温度过高或温差过大的情况，不及时散热，会导致电池的性能下降和寿命缩减，甚至引发安全问题。锂离子电池热管理部分作为锂离子电池管理系统中的重要组成环节，对动力电池组的温度控制至关重要。因此，对动力电池组进行液冷散热分析与优化具有重要意义。本文以提高动力电池组的散热性能为目的，首先研究单体电池放电时的温度特性，其次对动力电池组设计一个串并联通道的冷板散热结构，采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法对液冷动力电池组进行仿真分析，使用多目标遗传优化的方法找到动力电池组的最佳冷却方式，最后在典型工况下对液冷动力电池组的优化模型进行散热仿真分析，研究冷却液入口流量和温度对散热的影响，具体研究内容如下：　　（1）首先选用LP2714897方形磷酸铁锂电池单体为研究对象，在环境温度27℃、实验工况为1C和2C倍率恒流放电的条件下对单体电池进行放电温升试验。其次，基于Bernardi生热速率模型得到不同放电倍率下的锂电池生热速率，获取仿真热物性参数。最后，对单体电池简化热效应模型进行温度场仿真分析，对比仿真与实验结果验证了单体电池仿真模型和仿真参数的准确性。　　（2）初步设计合理的动力电池组液冷冷板模型、冷板中布置串并联通道，对液冷动力电池组分别进行0.5C、1C、1.5C、2C倍率恒流放电工况下的热仿真分析，结果表明：动力电池组以2C高倍率恒流放电时，冷却液流速分布较均匀，动力电池组的最高温度和最大温差均超过目标值，需对冷却结构进行改进。对改进后的液冷动力电池组进行2C倍率恒流放电的CFD热仿真分析，结果表明：改进后的动力电池组最高温度为38.78℃，最大温差为3.64℃，管道进出口的压降较小，满足设计要求。　　（3）动力电池组在2C倍率放电的条件下，基于试验设计（DOE）构建代理模型对改进后的液冷电池组模型进行多目标优化，找到最佳的冷却方式。对比温差、压降寻优后的结果和CFD仿真结果，误差分别为2.4%和4.1%，表明优化方法的准确性。对比改进后的液冷电池组模型，优化后的液冷电池组模型在流量下降40%、串联通道宽度增加26.7%、并联通道宽度减少60%的条件下，电池组的温差降低4.9%，管道的进出口压降增加8.5%。应用数据挖掘的方法探索设计变量与优化目标之间的关系，得出冷却液流量、流道的串联通道宽度和并联通道宽度在设计与优化过程中都不可忽略。　　（4）对单体电池进行一维温度仿真并对比实验数据，验证了参数设置与仿真结果的准确性；搭建车辆动力模型和液冷动力电池组优化模型，动力电池组大部分时间处于0.5C～1C倍率放电的状态，相比于NEDC工况，WLTC工况下的动力电池组平均输出电流更大；在WLTC工况下对液冷动力电池组进行散热仿真分析，动力电池组的最高温度与温差均满足要求。在40℃高温条件下，研究冷却液入口流量和温度对液冷动力电池组的散热影响，结果表明：提高冷却液的进口流量可以有效地降低电池组的最高温度，当冷却液流量增加到一定数值后，电池组的最高温度下降幅度减小；动力电池组的最高温度随着冷却液入口温度的升高而逐渐升高，且升高的幅度越来越大。　　本文采用液冷方式对动力电池组的冷却散热进行研究，对动力电池组设计串并联通道的液冷结构，使用计算流体力学和多目标遗传优化的方法对液冷动力电池组进行仿真分析与优化。多目标优化在电池热管理领域应用较少，将多目标遗传优化方法应用在动力电池组的液冷设计与优化过程中，可以权衡多个目标之间的关系，提高仿真开发的效率，从而得到最佳的冷却方式，研究方法与内容对动力电池组散热、液冷结构的设计与优化具有参考意义。
作者：	周贤杰
专业：	工程(车辆工程)
导师：	赖晨光;王庆洋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆理工大学
学位年度：	2022