微热管在电动汽车电池热管理系统中应用关键技术研究

面对全球严重的能源短缺和环境污染问题,近年来新能源汽车的发展已成为关注的焦点。其中,电动汽车(Electric Vehicle,EV)因具有高能量效率和低排放而得到推广应用。作为电动汽车的能量来源,动力电池应具有高功率、大容量、长寿命和可靠的安全性,从而满足电动汽车的运行需求,如高效的加速性、足够的续航里程、长的工作寿命及良好的环境适应性。然而,电池对温度相当敏感,过高/低温度或非均衡的温度将导致其性能衰减、加速老化,甚至热失控。因此,针对EV用动力电池存在的热安全性、热可靠性及热均衡性等突出问题,采用高效的电池热管理系统(Battery Thermal Management System,BTMS)对提高电池使用性能至关重要,从而保证其工作在最优温度范围及温度的均匀性,进而提升EV的安全性、可靠性和寿命。相比风冷、液冷和相变材料的BTMS,由于热管具有高热导率、紧凑结构、易加工及双向导热的特性,使得基于热管的BTMS拥有更优的热性能。但由于热管在BTMS中的应用涉及热管复杂的相变传热与动力电池动态生-传热的耦合,因此,可靠的热设计和精确的热性能分析方法等关键技术的研究对热管式BTMS的设计开发意义重大。本文通过数值模拟与实验研究相结合的方法,以某一锂离子(Lithium-ion,Li-ion)动力电池包为研究对象,以电池的生热-传热-散热-加热为研究主线,探索将微热管相变传热应用于EV用BTMS的关键技术。提出了时变内热源耦合多内热源的电池三维热效应模型,建立了动力电池―热-流‖耦合传热的数值仿真计算方法,设计了基于超薄微热管相变传热的BTMS,提出了用于准确预测热管相变及动态传热的热管分段式热阻模型,并建立了将其耦合于电池热模型的仿真建模方法,用于基于热管的BTMS三维计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的仿真计算,分析了不同影响因素下的热管式BTMS动态散/加热性能及其温升变化规律,同时进行了温度一致性评价。对其中的关键问题进行了重点攻关,从而设计开发既高效低能耗又紧凑轻量的热管式BTMS。具体研究内容如下:1)分析了Li-ion动力电池的生热、传热和散热规律,结合EV用电池的生热特点及内阻特性实验,建立了生热速率随时间变化的时变内热源模型,同时考虑电极热效应,建立了时变内热源耦合多内热源的电池三维热效应模型。通过CFD仿真计算,分析了锂离子动力电池单体及模块在不同充/放电倍率下的三维稳态和瞬态温度场分布及其动态变化规律,同时分析了电池模块在不同电池间距、不同对流强度以及热电不一致时的温升变化和温度一致性,并结合实验研究对比验证模型的精度。2)在耦合传热理论的基础上,建立了动力电池―热-流‖耦合传热的数值仿真计算方法。通过建立耦合面确定电池与流体之间的“热-流”传热边界,通过整场求解法获得―热-流‖耦合面处的热物性参数,从而用于电池包“热-流”传热仿真分析。采用三维实体建模和CFD仿真计算,以车用Li-ion动力电池包为研究对象,模拟分析了其在不同进出口方式及对流条件下的―热-流‖场动态特性。基于场协同理论分析了温度场与流场之间的相互影响因素,评价了电池温度的一致性差异,同时,验证了模型的计算精度和效率。3)在热管相变传热机理的基础上,分析了热管相变传热极限与热管尺寸的相互影响关系,建立了热管最大传热极限与热管尺寸的数学模型,用于优化设计热管的最佳管长尺寸和最佳蒸汽腔直径。考虑到EV上的空间限制和轻量化的要求,提出了采用扁平超薄微热管(Ultra-thin Micro Heat Pipe,UMHP)(厚度为1mm)用于BTMS,并对其结构尺寸、材料、相变工质及其充液量进行了选型及设计。同时通过分析翅片压力损失和传热效率与翅片尺寸的数学模型,优化设计用于UMHP强化散热的翅片尺寸。4)基于热管相变传热机理,提出了热管―分段式‖热阻模型,通过使用分段的热阻分别表达热管蒸发段和冷凝段中复杂的相变传热传质性能,每一段的当量热导率用于确定热管的热物性参数和边界条件,并将其耦合于动力电池的热模型中用于热管式BTMS的三维CFD仿真计算。模拟分析了不同放电倍率、不同对流条件、不同布置、倾斜角度及翅片结构下UMHP式BTMS的散热温度场动态分布规律,以及在不同低温环境下的加热性能。并与热管的―整体式‖热阻模型同时结合实验研究对比验证模型的精度。5)搭建了动力电池散/加热温度特性实验台架,对动力电池进行了热特性实验研究,分析了电池容量、内阻、开路电压随温度的变化规律;研究了动力电池在稳态和瞬态充/放电倍率下的温度分布规律。同时,开展了基于UMHP的动力电池散/加热温度特性实验,分析了在不同放电倍率、不同对流条件、不同布置结构以及热管的不同倾斜程度下的UMHP电池包散热温升变化规律;采用电加热膜作为低温热源,对比分析了在不同低温环境和不同加热功率下通过UMHP加热电池方式与直接加热电池方式的加热效果。