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基于流阻-热阻网络模型的液冷电池热管理系统优化设计
| 论文题名： | 基于流阻-热阻网络模型的液冷电池热管理系统优化设计 |
| 关键词： | 纯电动汽车;锂离子电池;热管理系统;优化设计;流阻-热阻网络模型 |
| 摘要： | 汽车产业的蓬勃发展，在给社会带来便利的同时也加剧了能源短缺、环境污染等问题的恶化。在“碳达峰、碳中和”的时代背景下，推动传统汽车行业绿色转型，积极发展电动汽车成为了各国政府部门的共识。动力电池作为纯电动汽车的动力来源决定了整车的性能。然而温度是影响动力电池性能的关键因素，温度过高易积聚热量，从而引发电池热失控。因此，有必要设计合理高效的电池热管理系统(BTMS)对动力电池进行散热冷却。 本文为解决某磷酸铁锂动力电池的热安全问题设计了液冷式电池热管理系统，依托实验、仿真计算和数学模型等形式对液冷式电池热管理系统的散热性能和系统能耗进行优化。首先，分析了锂离子电池的传热和产热原理，进行了单体电池热特性实验，根据实验测得的电池温度数据计算得到锂电池不同放电倍率产热量。 其次，基于仿生原理设计了树叶脉络形状的液冷板模型。建立了初始液冷板的热仿真模型，同时在环境温度为25℃时进行了不同质量流量条件下的液冷板散热实验，结果表明，不同质量流量条件下实验与仿真结果的相对误差均小于6%，验证了CFD仿真的可靠性。接着研究了液冷板分支通道数量和通道布置形式对总热阻和压力损失的影响，研究表明当分支通道为6，通道纵向布置时其散热性能和系统能耗较优。 然后，针对液冷电池热管理系统仿真计算效率低的问题，基于流体力学和传热学原理建立了流阻-热阻网络模型，通过数学模型实现对液冷板的总热阻以及压力损失的快速计算，并结合CFD方法对模型的可靠性进行了验证。此外，基于流阻-热阻网络模型通过单因素敏感度分析，筛选出对液冷板的热性能和系统能耗影响较大的参数(液质量流量m与液冷板分叉通道夹角α、通道宽度b、通道高度h、分叉通道间距d1、d4)为设计变量，对液冷板的总热阻和压力损失等关键目标进行多目标优化，得到帕累托最优解。与流阻-热阻网络模型计算值对比，多目标优化结果的相对误差在5%以内。分析了多目标优化前后不同工况的传热特性和水力特性，结果表明，优化后液冷板模型的热性能和能耗得到有效改善，其总热阻和压力损失分别下降了0.2297℃/W(39.69%)，2.7041Pa(14.39%)。 最后在多目标最优设计的基础上，以四块电池与四块液冷板，建立了电池组的热仿真模型。分别探究了电池组的布置形式、冷却液流向、电池放电倍率以及冷却液温度对其散热性能的影响。 |
| 作者： | 张林 |
| 专业： | 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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