基于楔形微通道的电池热管理系统传热特性研究

在能源危机与环境污染的大背景下,电动汽车凭借其低能耗、零排放的优点得到了快速发展。动力电池作为电动汽车的核心部件,其性能的优劣直接影响着整车性能。由于电池的能量、容量、安全性等受温度影响明显,设计高效的电池热管理系统,并揭示系统传热控温规律,对于提升电池的性能具有重要的现实意义。本文围绕电池热管理系统在提升控温效果和整包能量密度方面的同步优化,设计了基于楔形微通道冷板的电池热管理系统,并采用数值模拟的方法,揭示了电池热管理系统的传热控温规律。文中主要结论如下:(1)针对常规微通道热管理系统的冷板控温特性,通过对电池产热特性的有效还原,将1.5C放电倍率下1cm厚电池体的产热情况作为冷板表面的热流边界,研究了系统内冷板在不同质量流量、不同通道数时的控温效果。结果表明:随着冷板质量流量由2.5×10~(-5) kg/s逐渐增加至4×10~(-5) kg/s,系统内冷板表面的最大温度逐渐降低,升温段速率逐渐放缓,冷板表面最高温度的峰值点由55.09℃降低至44.67℃,通道数的增加也可进一步强化系统内冷板的降温效果。但该微通道冷板的均温效果较差,当冷板表面温度最大值被有效控制在45℃以内时,其表面局部温差仍可高达6.69℃。(2)针对常规微通道结构在热管理特性上的优化,首先将不同放电倍率时的电池体产热作为冷板表面热流边界,研究了常规结构冷板在不同热流强度下的控温效果,随后设计了基于楔形通道和分叉通道的电池热管理系统,研究了不同通道结构及质量流量下的冷板表面热管理特性。结果表明:放电倍率为3.5C、质量流量为2×10~(-4)kg/s时,传统结构冷板的表面温度峰值可达59.26℃,局部温差峰值可达15℃。随着通道楔形化程度的逐渐加深,相同质量流量下,通道出口高宽比为1:16时,系统内冷板的表面最高温峰值及温差峰值相比于传统通道冷板分别降低了约16.54%和33.12%。随着冷板质量流量的增加,冷板表面的最高温度及局部温差分别被有效控制在40℃及5℃以下。此外,通道分叉结构和楔形通道的协同作用可进一步强化热管理系统内冷板的降温和均温效果。(3)针对基于楔形微通道冷板的热管理系统的电池控温传热强化,结合电池导热的各向异性,对比了基于楔形微通道冷板的电池热管理系统在不同散热面布置、不同质量流量、不同通道结构及分布等条件下的控温效果。结果表明:当电池热管理系统冷板单面受热时,在2×10~(-5)kg/s的质量流量条件下,侧面散热相比于正面散热,将不同放电倍率时的电池局部温差分别降低了约35.71%(1.5 C)、38.33%(2.5 C)和44.28%(3.5 C)。3.5C倍率放电时,随着冷板质量流量逐渐增加至1×10~(-4)kg/s,电池温度峰值由60℃左右降至45℃以下,采用戟型通道分布时,电池局部温差峰值由7.27℃进一步降至4.67℃。当电池热管理系统冷板双面受热时,戟型通道入流段隔热气缝的设置进一步强化了系统在高热负荷下的均温特性,体现出了较好的热管理效果。该论文有图44幅,表11个,参考文献105篇。