相变材料与液冷耦合的锂电池热管理系统研究

随着全球化石能源的消耗与环境问题的日益严峻,人们对于可持续能源与清洁能源的渴求越来越迫切,电动汽车凭借其低能耗和零排放等优势,受到了各国政府和汽车厂商越来越多的关注。动力电池是电动汽车的核心储能部件,其在工作过程中会持续散发热量,如果这些热量积聚在电池组内部无法及时散出,会造成电池组容量衰减、寿命缩短,严重时甚至会引发火灾。为了提高电池组的性能、寿命和热安全性,本文提出了一种全新的相变材料与液冷耦合的电池热管理系统,并进行了仿真分析与优化。相变材料电池热管理系统是目前最具前景的电池温控技术,该系统能够通过相变材料在相变阶段吸收或放出的巨大潜热使电池组长时间维持在相变温度附近,通过加入添加剂制得高导热的复合相变材料,能够有效提高电池组的温度均匀性和散热效率。液冷系统则是目前冷却效率最高的热管理系统,通过高比热容的冷却液在管道或腔室内流动可以迅速带走电池产生的热量,已经有了非常广泛的市场应用。本研究将两种热管理方式结合起来,发挥各自优势,互相弥补不足。首先,对圆柱形锂电池与复合相变材料的热物性进行研究。通过模型简化,得到将圆柱形锂电池视为均质体的等效热物性参数表达公式,并且根据热阻串并联模型得到基于柱坐标系的各向异性导热系数;通过提出假设,得到不同复合相变材料的热物性参数计算式,为后续设计提供了重要依据。随后,对该热管理系统的电池布置形式、液冷管路布置形式、复合相变材料选用以及液冷系统开启时刻进行研究,设计了一款包含24块18650NCM锂电池的热管理系统。提出了一种新的仅在充电阶段开启的主动式液冷系统控制策略,该策略能使电池组在车辆行驶阶段保持最佳的温度均匀性,并且不会耗费额外能量为热管理系统供能。再次,总结锂电池生热率的数值计算方法,得到了1.5Ah的18650NCM锂电池在5C充放电倍率下的生热率。对设计的热管理系统建立有限元模型,确立了仿真计算的初始条件与边界条件,为数值模拟做准备。最后,根据仿真结果考察了不同冷却液流速、不同复合相变材料混合比和密度对系统热管理性能的影响,分析了该热管理系统的优势与不足。在保证电池组最大温度和温差不超过允许值的前提下,对该系统进行了基于轻量化和基于节能的优化设计。