广泛应用于混合动力和纯电动车的锂离子电池,温度对其有较大的影响。过高、过低的温度和单体间温度一致性差均容易导致系统性能衰减、寿命缩短甚至热失控。为保证电池包内电池工作在合适的工作范围,合理的热结构设计及分析方法尤为重要。本文以某公司电池包为研究对象,采用理论分析、实验验证和数值计算相结合的方法对电池进行分析与电池包热结构设计,主要研究内容和结论如下:(1)在对锂离子电池的基本结构、工作原理和生热机理进行分析的基础上,对锂离子电池性能参数受温度变化的影响进行了实验研究,包括温度对电池容量、放电电压和内阻的影响,以及电池在不同放电条件下的温度特性,为模型建立奠定基础。(2)建立电池单体传热的物理和数学模型,研究不同放电倍率下恒定或时变生热模型之间的区别。结果显示:采用恒定或时变内阻的两种生热模型,得到的温升差异较小。在25℃时,电池分别以0.5C、1C、1.5C和2C倍率放电,在放电结束时刻,两种生热模型最大温差相差不超过0.01℃,最大温升相差小于0.21℃;两种模型与实验相比,最大温差不超过0.57℃;电池以1C倍率放电时,在放电全过程,两种模型与实验结果温度差值不大于0.4℃,确认了恒定内阻计算的合理性。(3)针对电池并联模组中电池间隙会恶化电池散热效果的问题进行分析,构建了空气间隙、导热铝片和紧密贴合三种情况下电池模组的传热模型。研究三种情况在1C倍率下电池温度分布情况,结果显示:采用导热铝片能够有效提升电池组均温性能和降低最高温度,在设计电池模组时推荐使用导热铝片以改善电池组间温度均匀性。(4)基于电池包的结构和工艺可行性设计加热/散热一体化换热板,构建蛇形流道换热板传热的物理和数学模型,分析换热板流道入口截面长度、厚度和管距对换热性能的影响,并通过正交试验分析选取板厚6mm、入口截面长度3mm、管距22.5mm的换热板结构形式。(5)对整包电池设计了导热硅胶片/换热板和主/辅换热板两种传热系统方案。两种方案均能满足系统散性能要求,导热硅胶片/换热板方案散热效果相对较差;在1C、1.5C和2C放电时,主/辅换热板方案最高温度上比导热硅胶片/换热板方案降低了0.55℃、1.09℃、1.62℃,最大温差降低了0.33℃、0.65℃、0.97℃,导热硅胶片/换热板是较为廉价的方案。(6)采用主/辅换热板电池包传热模型分析系统散热与加热特性,对散热与加热过程温度变化进行分析,结果显示:采用与环境温度相同的换热介质温度能够避免放电过程模组出现较大的温差峰值;加热工况下加热时间的长短与换热介质流量相关,而提高换热介质温度对其影响不显著。在环境温度为-10℃,换热工质为25℃时,采用2g/s质量流量能让系统在20分钟内最低温度和最大温差达到稳定状态。(7)针对常用的工质流体恒温假设,即流体流入换热板时的温度值在电池传热计算中被视为恒定可能带来的影响,本文做了较深入的研究。根据实际将换热介质温度变化分为恒定、线性和指数型三种情况。在25℃下以1 C放电,换热介质入口质量流量1g/s时,线性、指数型换热介质温升模型最高温度分别比恒温模型高3.34℃和2.54℃;在-10℃下以25℃,1.5g/s的换热介质对电池进行加热,线性、指数型换热介质温升模型最低温度分别比恒温模型低4.06℃和4.36℃。这表明传热计算中换热介质恒温假设会高估系统对模组温度最值的影响,对散热计算,恒温假设会低估系统对模组最大温差的影响。