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原文传递真空池沸腾换热特性研究及电池模组应用

论文题名：	真空池沸腾换热特性研究及电池模组应用
关键词：	电动汽车;电池模组;真空池;沸腾换热特性
摘要：	电池热管理系统是电动汽车的重要组成部分，其冷却性能直接影响到电动汽车的行驶性能、使用寿命以及安全性能。对电动汽车来说，传统的电池冷却技术已不能满足其电池模组的散热需求。探究真空池沸腾的换热机制、获得各参数对真空池沸腾换热性能的影响规律，对真空池沸腾在电池热管理系统的应用具有重要意义。本文从沸腾工质在真空池沸腾时的气泡生长特性和沸腾换热系数等方面入手，研究了真空池沸腾的换热机理和换热特性，并对真空池沸腾在电池模组冷却系统的应用进行了探索。　　搭建真空池沸腾换热气泡生长特性试验平台，利用高速背光成像技术(High.speed backlit imaging technique)研究不同加热功率及压力下加热丝表面气泡的产生、生长和脱离过程;统计不同功率、不同压力下加热丝表面的气泡脱离频率。结果表明，基于气泡生长特性，将池沸腾划分为自然对流、部分发展核态沸腾、充分发展核态沸腾、过渡沸腾以及膜态沸腾五个阶段。在100kPa恒定压力条件下，部分发展核态沸腾阶段，随加热功率的提高，气泡脱离直径增大，气泡脱离频率加快;充分发展核态沸腾阶段，从部分发展核态沸腾过渡到充分发展沸腾阶段后气泡脱离直径陡然变小，且气泡脱离频率迅速提高，随着加热功率的提高，气泡脱离直径增大，脱离频率加快;过渡沸腾阶段，气泡脱离直径变大，且气泡脱离频率急剧降低;膜态沸腾阶段，气泡脱离直径骤增，脱离频率急剧变慢，随着加热功率的提高，气泡脱离直径变大，气泡脱离频率变快;真空度的提高，各池沸腾阶段会相应提前出现，且真空度越大，提前量越大。在某一恒定加热功率且不发生沸腾阶段改变的前提下，气泡脱离直径随着真空度的提升而增加，气泡脱离频率随着真空度的增大而降低。　　搭建真空池沸腾换热特性试验平台，探究真空池沸腾中真空度、加热功率以及液面高度对冷却性能的影响规律。结果显示，在相同工况下，随着压力的提高，光滑铜基表面的临界热流密度也随之增大。压力降低后沸腾现象提前出现。尤其是在较低的壁面温度下，系统内的饱和压力越低，沸腾表面的热流密度越高;在正压或常压下，液面高度对池沸腾换热性能的影响很小，而负压下，液面高度对池沸腾换热性能影响很大;通过对比不同压力下池沸腾换热的实验结果与不同关联式的预测结果，发现Guan关联式与Li关联式在对临界热流密度和换热系数的预测精度最高，其整体平均误差分别为7.7％和9.6％。　　搭建基于真空池沸腾的电池模组散热性能试验平台，对电池模组以0.5-2.5C放电倍率放电时在池沸腾冷却、自然冷却、强制风冷、相变材料冷却四种常见冷却方式下的散热性能进行对比研究，并通过基于池沸腾换热机理对电池模组池沸腾散热性能的关键影响因素展开研究，最终基于真空池沸腾换热特性利用真空对池沸腾换热进行强化。结果表明，沸腾冷却的冷却性能最佳，在不同放电倍率下最高温度和最大温差可以分扬州大学硕士学位论文别控制在49.9℃和3.1℃内:自然冷却的冷却性能最差，最高温度和最大温差分别可达88.8℃和9.3℃;强制风冷的冷却效率较高，可将最高温度控制在77.40℃内，但温度均匀性较差，最大温差可达27.0℃;相变冷却在较低的放电倍率下有较好的冷却性能，但在高倍率放电下的冷却性能出现恶化，最高温度和最大温差可以分别可达92.1℃年110.1℃;真空条件下，电池模组的池沸腾冷却系统的冷却效率会有一定提升，且在20.100kPa下压力越小，电池模组内所能达到的最高温度越低，电池模组内的最大温差越低。与100kPa下相比，电池模组在70kPa、50kPa、20kPa下最高温度分别降低了6.5％、10.5％、18.9％，最大温差分别降低了25.8％、35.5％、38.7％。
作者：	王翔
专业：	车辆工程
导师：	徐晶;熊双元
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2022