关键词：纯电动汽车;;磷酸铁锂离子电池;;电池热管理;;数值模拟;;遗传算法
摘 要：由于日益加剧的环境问题与能源危机,在减少石油资源消耗和降低污染物排放等方面具有突出优势的新能源汽车,在近几年受到了全球范围内的普遍重视,而电动汽车在新能源汽车中最具代表性。动力电池组作为电动汽车的动力源,其工作性能的优劣将直接决定电动汽车的整车性能。当动力电池组在高温环境下工作或进行大电流充放电时,电池温度迅速上升,造成电池循环寿命下降,甚至会引起电池起火爆炸等安全问题。另一方面,若动力电池组中各电池单体间存在较大的温度差异,将导致电池组整体性能降低。为了将动力电池的温度控制在适宜的温度范围内,并保障电池温度的均匀性,需要为电动汽车动力电池组设计合理的电池热管理系统。本文以铜制流道液冷散热系统为基础,分析不同因素对系统的散热与均温能力的影响。另外提出了一种基于遗传算法的流道布局优化方法,针对不同的优化目标,通过优化计算获得相应的最优流道布置方案,分析系统中流道的布局对电池组各项评价指标的影响,为相关的电池散热系统的设计提供设计依据。本文主要研究工作与结论如下:(1)使用Fluent对提出的液冷散热系统进行仿真模拟,结果表明:随着放电倍率的增加,电池组的整体温度急剧上升,而温度均匀性降低;随着环境温度的升高,电池组的整体温度上升,温度均匀性由于电池产热率的降低而略有提升;随着冷却水流速的增大,电池组的整体温度略有降低,并且当流速大于0.1m/s后继续提升冷却水流速,电池组的整体温度将不再显著降低。在过高的电池放电倍率或高温环境下,系统对电池组的散热均温能力将失效。(2)流道在电池组中的布局对液冷散热系统的散热能力具有较大的影响。通过改变流道的布置可以降低电池最高温度。但在流道结构改变后,系统中仍然存在与流道仅具有1个接触面的电池单体,则流道结构的改变对电池最高温度的改善作用有限。改变流道结构,使系统中不存在仅与流道具有1个接触面的电池单体,电池最高温度才能大幅度降低。(3)若流道内冷却水温度仅在小范围内变化,与流道的接触面数量大于1的电池单体的平均温度将明显低于与流道仅有1个接触面的电池单体的平均温度。通过改变系统内流道的布局,增加系统内与流道的接触面数量大于1的电池单体的数量,可使电池平均温度有效降低。(4)平均温度最大差值主要由电池单体平均温度最低值决定。通过合理地提高电池单体平均温度的最低值,可以降低平均温度最大差值。当所有的电池单体均与流道只具有1个接触面时,系统中电池单体平均温度的最低值达到最高,系统具有最小的平均温度最大差值。(5)将系统内的电池单体划分为与流道仅具有1个接触面和与流道的接触面数量大于1的两类,当系统中任意一类电池单体的数量占电池总数的比例上升时,系统中各电池温度分布的一致性均会增大,而电池温度标准差降低。(6)通过基于遗传算法的流道布局优化方法,可对电池最高温度最小、电池平均温度最小和电池温度标准差最小的目标进行有效优化。而在对电池平均温度最大差值最小的目标进行优化时,计算陷入了局部最优解。通过对流道结构的优化,可使电池平均温度与电池温度标准差明显降低。
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