动力电池相变冷却技术与热管耦合传热研究

汽车是现代人们出行必不可少的交通工具，然而全世界汽车工业在快速发展的同时，严重的能源和环境问题也随之产生。在这种时代背景下，以电池包为动力源的新能源汽车应运而生。其中以电动汽车为代表的新能源汽车逐渐成为汽车产品未来的新发展趋势。电池包作为电动汽车的核心关键部件，其结构是否合理、散热是否充分、温度分布是否均匀等都直接影响内部电池的充放电性能、使用寿命及可靠性，进而影响电动车整车的安全性能和使用性能。对电池包采取合理的热管理措施，可以有效的改善电池包的性能和使用寿命，提高电动车整车性能。 本文首先概括介绍了相变传热与蓄热的相关理论。阐述了相变蓄热过程的数学模型，对比分析了温度法和焓法模型的适用情况。接着详细介绍了相变材料石蜡的性质，以及提高相变材料导热系数的方法。对单纯的石蜡材料及添加石墨的石蜡复合材料的物性参数进行测定。结果表明添加石墨的复合相变材料的导热系数明显提高，其导热系数相比单纯石蜡的导热系数提高20倍，热物性更加优越。 然后对电池包采用相变材料被动冷却方式的冷却性能进行实验测定，并且采用Fluent流体分析软件对该冷却方式进行数值仿真计算。实验中使用热电偶测量电池包内部温度，共布置10个测点，实时监控电池包内温度场变化。经测量，随着电池发热功率的增大，电池包内测点的最大温差逐渐增大，但是最大温差在3℃以内。相比空气冷却方式添加相变材料的实验结果温度分布均匀，各测点的温度更趋于一致。将模拟计算结果与实验结果对比，结果表明模拟计算满足一定的精度，与实验结果基本吻合。实验结果和模拟分析结果表明采用石蜡石墨复合相变材料被动冷却方式在电池包中小负荷时能满足要求，当单体电池发热功率超过6.9W并持续运行时该冷却方式会出现温度过高，尤其电池包中间部分不满足温度控制要求。 最后，为了使相变材料冷却方式在电池高发热功率下依然能满足温度控制要求，将热管强化传热技术应用在电池包冷却系统中。对该冷却系统进行结构设计，然后利用模拟分析软件进行仿真分析,得到该冷却系统温度场的变化情况和温度分布情况，与不采用热管的冷却方式的温度场比较，比较结果表明添加热管的情况下电池包内的整体温度降低了，热管与复合相变材料耦合的冷却系统的温度最大降幅可达50℃，整个电池包的温度分布更加合理均匀。电池在发热功率13.6W的情况下电池包的温度依然控制在最佳温度范围内，保证在不同电池工作工况下满足电池包的温度控制要求。模拟分析结果表明在电池包实际运行工况条件下，为保证电池工作在合适的温度范围，实现电池包的精确热管理，采用热管石蜡复合相变材料耦合的冷却方式是可行的。