基于相变材料的锂离子电池热管理系统性能优化研究

随着能源危机的日益严峻和环境污染问题愈发突出,电动汽车的研发对于减少环境污染和提高能源利用率是非常重要的。作为电动汽车动力装置中的核心元件,锂离子电池越发受到重视。但锂离子电池工作时产生的热量促使电池温度升高,影响电池的使用性能和寿命,严重时甚至引发安全事故。因此,采用数值模拟方法研究电池在具体工况下的温度分布,设计电池组热管理系统,优化提高热管理系统的散热性能,对提高锂离子电池的使用性能具有重要的现实意义。本文的主要研究内容可以概括如下:(1)分析锂离子电池的工作结构、工作原理及产热,基于Bernardi等建立的电池生热速率模型,确定锂离子电池生热功率与电池欧姆内阻和温熵系数有关。通过对锂离子电池进行Peak Power测试和HPPC试验得出欧姆内阻和温熵系数随电池剩余电量SOC变化曲线。(2)研究锂离子电池传热理论,建立锂离子电池热模型。计算获得锂离子电池热物性参数,并根据生热速率模型,在Fluent中编写电池单体的热源UDF,实现电池生热速率呈现动态变化。采用计算流体动力学(CFD)方法,对自然对流下锂离子电池单体以1C倍率放电的生热情况进行仿真模拟。结果表明,该电池峰值温度超过电池最佳性能温度范围,且电池本身温度差异较大。当电池成组应用时,应设计热管理系统。(3)采用相变冷却方式为电池组设计热管理系统,考虑相变材料熔化后的自然对流对热管理系统温度场的影响,运用Fluent软件对该热管理系统进行仿真模拟。结果表明,该热管理系统满足锂离子电池对温度的要求,但存在不足之处。(4)针对相变材料对电池组温度的影响特点,因地制宜设计电池组热管理系统。为使该电池组热管理系统散热性能达到最优化,通过计算流体动力学与正交试验相结合的优化方法,对孔隙率等五个因素进行优选,揭示了五个因素对四个试验指标的影响,综合考量后得到最优组合。