微小通道/相变材料耦合的电池热管理系统传热特性研究

随着能源危机以及环境污染等问题的日益突出,汽车行业作为全球碳排放量较大的产业,其节能减排与可持续发展越来越受到重视。发展低能耗、低排放的新能源汽车已经成为实现汽车工业可持续发展的有效途径。然而动力电池的安全性是目前制约新能源汽车发展的一个重要因素。本文基于动力电池的热安全问题,分别采用了数值模拟和实验研究的方法,研究了锂离子电池的产热特性,并分别针对采用微小通道液体冷却、相变材料冷却以及微小通道/相变材料耦合冷却的电池热管理系统,研究了系统的传热特性。主要研究内容与结论如下:(1)针对磷酸铁锂电池的产热问题,采用实验的方法研究了磷酸铁锂电池在不同放电倍率下温度随时间的变化规律。并采用混合脉冲法对磷酸铁锂电池的内阻进行了测试,建立了相关的产热模型,研究其热量传递与分布规律。结果表明,电池放电倍率越大,放电结束时温度越高。放电倍率从1C增加到2C和3C时,其放电结束时的电池最高温度由38.8℃分别增加至47.2℃和52.3℃,其主要原因是磷酸铁锂电池放电倍率增加,电流引起的产热量增加。同时可见,磷酸铁锂电池在放电初期以及放电末期的产热量较大,这是由于这两阶段电池的内阻值较大所引起的。(2)针对磷酸铁锂电池在自然对流环境下温升较高的问题,设计了基于微小通道冷却的电池热管理系统,研究了通道数量、冷却液质量流量以及放电倍率对电池热管理系统传热特性的影响。结果表明,3C倍率放电过程中,质量流量为7.2×10~(-3) kg/s,冷板通道数分别为3、6和9个时,其对应的电池最高温度分别为39.0℃、38.9℃以及39.9℃。同时,选用6通道冷却时,电池组在1C和2C放电倍率下,质量流量取为1.8×10~(-3) kg/s和3.6×10~(-3) kg/s时,便能将电池的温度和温差分别控制在40℃和3℃以内。(3)为了进一步减小液冷系统中泵等能耗问题,设计了基于相变材料冷却以及微小通道/相变材料耦合冷却的电池热管理系统。分别研究了只采用相变材料冷却和耦合冷却时的热管理特性。结果表明,单个充放电循环中,采用相变材料的热管理系统能够将电池组的最高温度和最大温差控制在40.5℃和2.4℃以内。当电池组进行多个循环充放电时,采用微小通道/相变材料耦合冷却的系统,其质量流量为2.0×10~-33 kg/s、通道数为6时的冷却效果最佳,整个充放电循环过程中电池组的最高温度和最大温差可控制在40.1℃和1.4℃以内。