摘要
随着全球化石能源储量下降及环境污染加剧，电动汽车的发展被认为是未来实现人与自然可持续发展必不可少的重要途径之一。锂离子动力电池作为其供能核心，直接影响电动汽车质量、性能和安全。为满足人们对电动汽车高续航、远里程的需求，电池能量密度也逐渐提高。然而，在动力电池大倍率放电过程中，其内部会积聚更多的热量，需要进行高效散热，否则不但缩短电池寿命，甚至造成电池热失控。本文主要研究工作如下： 首先，以锂离子电池为目标分析产热传热机理，采用基于Bernardi生热速率模型创建了单体电池传热数值仿真模型，分析了不同放电倍率下电池温度特性。 其次，以电池结构为基准创建锂离子电池液冷散热模型，设计四种分形微小通道液冷板方案。引入温度标准差、热阻、泵功及热性能系数为评价指标，对液冷板传热、流动和压强性能进行综合分析及评估，选出较优设计方案并通过实验对比法对所得方案进行实验验证。实验与模拟数据误差小于 5 %，验证了本文仿真研究的可行性。 再者，以温度标准差、热阻及泵功为性能指标，结合拉丁超立方采样及响应曲面法建立通道尺寸、冷却液入口质量流量与优化目标间的数值函数关系，利用NSGA-Ⅱ求解得到36组不同权重下最优的分形微小通道液冷板结构。研究结果表明，选择以泵功权重为 0.8，温度标准差及热阻权重皆为 0.1，其壁厚 2.5 mm，入口质量流量 0.5 g/s，第一级通道宽度 2.91 mm，第二级通道长度 15.08 mm 时的结构更优。相比初始方案，优化后泵功改善效果明显，减小 68.53 %，热阻及温度标准差虽有增加，但能满足电池正常散热需求。进一步的实验结果显示，该结构方案实验结果与计算值温度标准差误差为1.73 %，与数值模拟温度标准差误差为0.44 %，这证明了本文所采用的多目标优化方法是可行的。 最后，建立具有六块单体电池的电池组液冷散热模型，分析液冷板布置数量与位置对电池组散热影响。创建电池组液冷系统评价性能指标，进一步对液冷板布局方案择优，发现具有三块液冷板且板间均放置两块单体电池的方案 6 在综合散热性能上具有较大优势。此外，本文还通过仿真研究分析了方案 6 中冷却剂入口温度和环境温度对电池组液体冷却模型的影响。仿真结果表明，较低的冷却液入口温度虽能降低电池组最高温度，但同时也增加了最大电池组内部温差，相同入口温度和环境温度下放电率与最高温度成正比，与最大温差成反比。
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