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复合式锂离子电池热管理系统的设计与研究
| 论文题名： | 复合式锂离子电池热管理系统的设计与研究 |
| 关键词： | 动力锂电池;热管理系统;多目标优化;热物性参数 |
| 摘要： | 在动力电池市场，锂电池因其在能量密度、容量、自放电率等自身工作性能方面，污染排放、回收利用等环保性方面以及内部反应稳定等安全性方面都占有独特优势而得到广泛应用。然而，锂电池对工作温度具有一定的敏感性，且对工作温度的范围有严格要求，例如，高倍率的充放电条件容易导致电池迅速产热和聚热升温，当聚热持续时，极易引发热失控甚至起火现象。因此，为工作中的电池设计一套合理且高效的热管理系统以维持其处于较佳的工作温度范围对能否保证电池在工程应用中持续以健康安全的正常状态工作起到决定性作用。 本文针对一款商用棱柱型磷酸铁锂电池设计了一种基于复合冷却的U型电池热管理系统，通过实验研究、数值模拟以及优化设计等方法，研究和分析了U型电池组复合热管理系统在不同情况下的热表现，以此解决锂电池组工作温度过高和温度均一性恶劣等一系列因持续工作和积热导致的问题。首先，依据锂电池的产热和传热原理为所选用的锂电池构建了充放电实验测量平台，通过对所测得的电池温升数据的整理分析以及对电池产热理论模型的参考推算出电池的热物性参数。 随后，设计了由上述电池构成的U型强制风冷电池组，构建了等尺寸的风冷测试实验平台与CFD仿真模型。经实验测量，对比和分析U型风冷系统在放电倍率和风机风速改变时的温度分布情况，并将结果与CFD结果进行比对以确定本文后续优化设计中所采用CFD方法的可行性。其次，为U型风冷系统设计了开设二次风口与增添隔板的优化方法。在对二次风口与隔板的位置、尺寸和数量相关的参数进行单因素讨论后，获取了用于多目标优化的变量设计范围。在多目标设计中，以风口组的首宽和组间宽度公差、隔板的首宽和板间宽度公差为设计变量，通过多岛遗传算法对表征系统温度表现与功耗大小的最高温、最大温差与压降共三个目标函数进行寻优以得到最佳的二次风口和隔板的组合设计方案。 接着，基于多目标寻优结果中各单体电池温度分布趋势设计了一种带有八条小型直通道的冷板，并且为简化计算以单通道形式进行讨论。通过在初始直通道的局部开设梯形槽道，并且逐步优化带梯形槽的小通道的几何参数以寻求更优的冷却效果。经过对梯形槽的高度、上底位置、上底长度和平行通道区域的宽度的取值讨论，获得了具有最佳冷却效果的冷板通道结构。 最后，在风冷最佳工况的基础上引入两块具有上述最佳通道结构的八通道冷板，在对比初始纯风冷与风-液复合冷却下单体电池温度表现的差异后讨论了不同放电倍率和不同泵送功率下U型电池组在风-液复合热管理策略下的热性能表现。 |
| 作者： | 易孟斐 |
| 专业： | 机械工程;车辆工程 |
| 导师： | 张甫仁 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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