基于微小通道的电池热管理系统传热与流动特性研究

电动汽车由于其具有节能、环保等优点越来越受到人们的关注。发展电动汽车的关键是动力电池,而动力电池的性能、寿命、安全性以及可靠性与温度密切相关。因此,设计合适的电池热管理系统显得尤为重要。本文采用理论分析、数值模拟与实验相结合的研究方法,以方形和圆柱形锂离子电池为研究对象,提出了两种基于微小通道的热管理系统设计方案,建立电池热管理系统三维模型,对电池组的温度场进行分析,并根据几种不同条件下的冷却效果对设计方案进行优化,以保证电池组在最适合的温度下安全有效的工作。同时,对电池热管理系统在不同冷却模式下的热特性及能耗特性进行了实验研究,主要结论如下:(1)针对方形锂离子电池,采用具有微小通道的冷板对电池进行冷却。该液体冷却系统能够为电池组提供良好的冷却效率。通道越多,冷却效率越高,但效率提升减缓,较合适的通道数为5。降低最高温度和温差最有效的方法是增加质量流量,考虑到功耗,最佳质量流量为1×10~(-3)kg/s。此外,增大通道宽度也可以降低能耗。由于靠近电极区域具有更高的产热功率,并且每个电池的冷却效果不同,很难将电池组温度降低到5℃以下。针对原有设计进行了优化之后,质量流量为1×10~(-3)kg/s时,电池组的最高温度和温差分别降低了13.3%和43.3%,温度均匀性显著提高。因此,每节电池需由2块冷板进行冷却。(2)针对圆柱形锂离子电池设计了一种新型的电池热管理系统。首先对定接触面铝块(与每个电池接触的铝块l值一致)结构进行研究,结果表明,最大温度和温差随l值和进口速度的增加而减小。当l值为24mm,冷却性能最好。当进口速度为0.05m/s时,电池组的最高温度被控制在40℃以下。为了进一步改善电池组的温度均匀性,又采用变接触面铝块对电池组进行冷却(与每个电池接触的铝块l值线性变化),并对三种变化率k=1mm、2mm、3mm进行了研究。当流速不超过0.1 m/s时,在k=3mm的情况下的电池组温度分布最均匀,但当流速超过0.2m/s,温度均匀性反而变差。最后综合考虑系统重量和泵的功耗,采用变接触面铝块优于定接触面铝块。在流速为0.05m/s时,相比于l=24mm的情况,最高温度可降低到相同的值,同时温差分别降低了6%、14%和28%,并且系统重量分别降低了20%、29%和47%。因此,k=3mm是最优的设计。(3)搭建电池热管理系统实验测试平台,研究不同放电倍率和冷却模式下,热管理系统的冷却性能和功耗特性。结果表明,微小通道冷却系统能有效地降低电池组的平均温度和温差。在没有冷却的条件下,电池以1C和1.5C放电结束时,电池组的平均温度分别为56.5℃和69.5℃,温差分别为12.3℃和15.4℃。通过持续冷却,电池组的平均温度分别降低43.7%和65.9%,温差降低47.3%和63.6%;与持续冷却模式相比,冷却系统以开关控制冷却模式运行时,电池以1C和1.5C放电的情况下,泵的能耗分别节省83.2%和49%。同时,电池组的温度仍控制在合适的范围内;电池组在充放电过程中的最高温度出现在不同的电池上。因此,温度动态比较机制是非常必要的。