论文:液流循环电池成组传热强化及其整车集成热管理研究,张天时,2016年
动力电池不但需要高效冷却,还需要良好预热,同时该热控问题还涉及电学、化学、热学等多个交叉学科与技术。
不论是传统汽车还是新能源汽车,目前汽车热管理核心问题之一是汽车空调系统与动力源冷却的协同控制问题。它们交织在动力舱内通过气、液介质进行耦合传热,通过高效合理的舱内部件设计与匹配,建立优化算法、模型关联、跨平台耦合计算方法是解决动力舱传热与流动计算的关键,良好的动力舱热管理可以进一步提升整车动力性、经济性、排放性和舒适性。
目前,计算机模拟手段通常包括一维计算和三维计算,前者更关注系统性能和关联表征,后者重点关注微观结构和数值实验预测。
一维计算软件包括COOLING、AMESim、FLOWMASTER以及GT-COOL。COOLING 由奥地利 MAGNA 公司研发,AMESim 由比利时 LMS 公司研发,FLOWMASTER 由英国 FLOWMASTER International 公司研发,GT-COOL 由美国 Gamma Technologies 公司研发。
三维计算软件包括FLUENT、STAR-CD 和 STAR-CCM+等。其中,FLUENT 由美国 ANSYS公司研发,STAR-CD 和 STAR-CCM+由英国 CD-adapco Group 公司研发。近年来,随着技术的不断进步,一维与三维计算联合应用,发挥两者优势互补来解决动力舱内复杂的热流动问题已成为发展趋势。
论文主要展开以下研究工作:
(1)动力电池液流强化传热结构设计与制备
针对锂离子动力电池两种典型结构圆柱形和薄片型设计制备了管束软接触式和高导热局部浸入式两种液流换热结构和对应电池模组,并进行冷却及预热基本性能仿真与实验。
(2)电池热管理温度一致性分析及变温梯级温控方法提出
为提升热管理过程中电池模组内温度一致性,提出了可变温梯级冷却方法,实现分步式小温差递进冷却方式,并提出温度步长和时间步长温控策略并进行了对比分析,通过实验和仿真计算可以看出采用变温梯级冷却方法可以有效降低大温差换热下电池模组内温度波动,提升温度一致性。
(3)电池、电机热管理系统模型构建及其工作过程仿真分析
为满足动力电池、电机良好的工作温度保障,设计了具有热泵独立冷却和散热器复合冷却的电池、电机液体循环热管理系统,并利用理论表征和实验表征方法基于MATLAB 平台建立了系统模型、模块和关联算法。
(4)动力舱 1D/3D 集成热管理分析方法构建
以纯电动汽车为原型建立了动力舱三维(3D)实体模型并进行了内部构件布局,舱内换热部件主要包括电池热管理子系统散热器、电机热管理子系统散热器和空调系统冷凝器。
(5)基于动力舱多热力系统热交互集成分析
在已建立的纯电动汽车动力舱三维实体模型以及电池热管理、电机热管理、空调系统一维计算模型的基础上,进行了动力系统热管理和空调系统 1D/3D 联合计算,并提出了电动汽车动力系统热管理分析评价方法与衡量指标,同时分析了动力系统和空调系统之间的交互热影响。
(6)电动汽车热能循环再利用及其蓄能装置探索
为实现整车电力和热力能源系统集成、互补和协同,共同解决电动汽车气候温度条件局限性和节能降耗需求,建立了具有热能循环再利用的全液流型纯电动汽车集成热管理系统,通过液流循环介质实现整车热量整合,满足电动系统精细协同热控的同时又实现了电动部件余热回收再利用。