基于柔性通道内流动沸腾换热的圆柱形锂电池热管理研究

伴随着电动车销量大增,动力电池行业进入爆发式发展期。锂电池由于其出色的结构稳定性、安全性以及较长的使用寿命,在动力系统领域被广泛使用。温度是影响锂电池性能和寿命的至关重要的因素。本文围绕圆柱形磷酸铁锂电池的电池热管理进行了详细研究。电池热管理包括外部冷却和内部冷却两方面。在充放电过程中电极是主要产热源,因此优化电极的设计是降低电池产热的关键因素。通过建立伪二维电化学-热耦合模型,研究了正负电极颗粒尺寸和温度依赖性参数对电池产热的影响。研究了电池在恒流放电过程中的产热速率,以及正极、隔膜和负极各部分的产热速率和所占比例。结果说明,总产热功率随反应热的波动而变化,其中正极电极层中反应热占比最大,负极电极层中极化产热所占比例高于正极,而隔膜中的产热主要来源自欧姆热。不同对流换热系数条件下,电池的表面温度和内部温度差都不同,因此要合理的采取电池热管理措施。为了更好地研究锂电池内部在放电过程中的电化学特性,在考虑圆柱形电池卷绕堆叠导致的边缘效应的基础上建立二维电化学-热耦合模型。结果表明,柔性金属微通道的热管理方式能够有效疏散电池放电过程产生的热量。为了探究基于柔性非金属管内流动换热的冷却效果，建立了电池热管理实验系统,以制冷剂R141b为实验工质,开展了对电池模块内包括管道材料、单体电池和电池组的温度特性的研究。分析了该系统下,管内换热方式、接触热阻以及接触面积对冷却效果的影响。最后通过肋壁换热的计算,得出不同冷却方式下电池的表面换热系数。为了探究高导热系数的通道对电池冷却效果的影响,设计了柔性矩形扁平微通道的铝合金板作为流通通道的实验研究。该结构改善了柔性非金属微通道的接触不良和导热热阻较大的问题。另外,与电池的接触面积可以通过增加冷板面积或改变接触圆心角来实现。电池与柔性金属微通道之间的换热增强,当入口质量流速在一定范围内,可实现微通道内流动沸腾换热,达到更好的冷却效果。