汽車鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計與散熱性能評估

  隨著全球?qū)Νh(huán)境保護和能源可持續(xù)性的重視，電動汽車作為一種清潔交通工具，受到越來越多的關(guān)注。電動汽車的核心動力源是鋰離子電池組，其在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，如果不能對其進行有效的熱管理，會導(dǎo)致電池溫度過高，影響電池性能和使用壽命，甚至引發(fā)安全隱患。研究和應(yīng)用這些熱管理技術(shù)，可有效控制電池組的溫度，延長和提高電池的循環(huán)壽命和安全性能，從而推動電動汽車技術(shù)的進步和發(fā)展。
　　一、電動汽車鋰離子電池組熱管理概述
　　第一，溫度監(jiān)測熱管理系統(tǒng)通過安裝在電池組各個關(guān)鍵部位的溫度傳感器，實時監(jiān)測電池組內(nèi)部各個部分的溫度變化。這些傳感器可將溫度數(shù)據(jù)傳輸給控制器，使車輛系統(tǒng)能夠準確了解電池組的工作狀態(tài)，以便及時采取必要的控制措施。第二，溫度調(diào)節(jié)。當(dāng)電池組的溫度接近或超出安全范圍時，熱管理系統(tǒng)會根據(jù)電池組的工作狀態(tài)和環(huán)境溫度等因素，自動調(diào)節(jié)冷卻液或加熱系統(tǒng)的運行。通過控制冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇速度或加熱系統(tǒng)的功率，熱管理系統(tǒng)能夠有效地維持電池組的溫度在安全范圍內(nèi)，確保電池組正常運行。
　　二、熱管理系統(tǒng)設(shè)計方法
　　針對鋰離子電池組高倍率工況下的散熱需求，本文提出一種多級協(xié)同熱管理架構(gòu)。系統(tǒng)采用模組化液冷板與相變材料（PCM）的復(fù)合布局，其中液冷流道基于蛇形－并聯(lián)混合拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過將傳統(tǒng)單一路徑蛇形流道拆解為三層并聯(lián)子流道（入口層、核心層、出口層），可實現(xiàn)冷卻液流速的梯度分配。冷卻液流量與流道參數(shù)的匹配關(guān)系通過流體力學(xué)方程量化。定義冷卻液體積流量Q與流道截面積A、流速v的關(guān)系為Q=ρvA，式中ρ為冷卻液密度。當(dāng)放電倍率從1C增至3C時，系統(tǒng)通過PID算法動態(tài)調(diào)節(jié)泵機功率，使流量Q從0.12m3/h線性提升至0.35m3/h，確保散熱功率與產(chǎn)熱速率同步。相變材料的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計中，石墨烯摻雜比例對導(dǎo)熱系數(shù)λ的影響遵循：λ復(fù)合=λPCM（1+2.7φ），其中φ為石墨烯質(zhì)量分數(shù)（0≤φ≤15%）。當(dāng)φ=12%時，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)達6.8W/(m·K)，較純PCM提升320%，且相變潛熱僅損失9.3%。
　　動態(tài)溫控策略采用分層控制架構(gòu)：底層傳感器網(wǎng)絡(luò)以7點布測模式（電芯極耳2點、中心3點、PCM界面2點）采集溫度場數(shù)據(jù)，上層控制器根據(jù)溫差閾值切換PID與模糊控制模式。當(dāng)模組平均溫度低于45℃時，PID算法以±0.5℃精度維持均溫；若局部溫度驟升超過5℃梯度，則激活模糊規(guī)則庫，依據(jù)溫度變化率與空間梯度加權(quán)值調(diào)節(jié)冷卻液流速與PCM激活區(qū)域。該策略在模擬NEDC工況測試中，將液冷泵機啟停頻率降低64%，系統(tǒng)整體能耗減少21%。
　  三、散熱性能仿真與實驗驗證
　　為驗證復(fù)合散熱系統(tǒng)的工程適用性，本研究建立多尺度仿真模型與全尺寸實驗平臺。數(shù)值模擬基于ANSYSFluent軟件構(gòu)建三維熱流耦合模型，涵蓋20個電芯構(gòu)成的電池模組（尺寸為480mm×210mm×120mm）。模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，最小網(wǎng)格尺寸0.5mm，在電芯極耳與PCM界面區(qū)域進行局部加密。實驗平臺由高精度電池測試系統(tǒng)（ArbinBT-5HC）、冷卻液循環(huán)裝置（溫控精度±0.2℃）及紅外熱成像儀（FLIRA655sc）組成。模組表面布置18組T形熱電偶（精度±0.5℃），其中12組位于電芯極耳與中心區(qū)域，6組嵌入PCM-液冷板界面。充放電測試中，冷卻液流量通過變頻泵實現(xiàn)0.12~0.42m3/h連續(xù)調(diào)節(jié)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以1Hz頻率記錄溫度、電壓及泵機能耗。
　　極端工況驗證中（45℃環(huán)境溫度+3C放電），復(fù)合系統(tǒng)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢：當(dāng)放電至80%SOC時，模組最大溫差為4.5℃，未出現(xiàn)局部熱點；而純液冷方案在相同工況下，電芯中心區(qū)域溫度在600s后突破68℃，觸發(fā)溫控系統(tǒng)強制降載。進一步對比脈沖工況發(fā)現(xiàn)，復(fù)合系統(tǒng)的溫度波動幅度較純液冷降低62%，且模糊-PID切換控制使泵機平均功率從58W降至46W。熱失控抑制實驗中，對人為制造局部短路的電芯進行監(jiān)測，PCM在120s內(nèi)將短路點溫度峰值限制在92℃（未使用PCM時達143℃），電解液泄漏時間延遲210s，為故障處理提供關(guān)鍵緩沖。
　　四、結(jié)束語
　　未來研究將向智能化與材料革新兩個維度延伸。一方面，需開發(fā)基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測性熱管理算法，利用電池歷史數(shù)據(jù)與實時工況構(gòu)建溫度場演變模型，實現(xiàn)散熱系統(tǒng)的前饋控制。另一方面，隨著固態(tài)電池與800V高壓平臺普及，亟須研制厚度小于1mm的微通道冷卻板，并探索相變材料與固態(tài)電解質(zhì)的熱特性匹配規(guī)律。

文章來源：  《安徽科技報》   http://12-baidu.cn/w/qt/35317.html