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原文传递锂离子电池组冷却流道传热特性均衡化设计研究

论文题名：	锂离子电池组冷却流道传热特性均衡化设计研究
关键词：	车辆工程;锂离子电池;电池包热管理;多目标优化;纳米流体;优化设计
摘要：	自我国实行改革开放以来，经济高速发展的同时也伴随着日益严重的能源与环境问题。为贯彻国家绿色可持续发展战略，以电动汽车为代表的新能源汽车异军突起，而电池作为电动汽车的核心动力来源在工作过程中会释放大量热能，若不及时排出会影响其使用性能，甚至危害乘客以及交通安全，因此构建综合性能优越的电池热管理系统意义重大。本文以锂离子电池为研究对象，设计新型冷却流道并应用于电池组液冷系统中，在此基础上对其散热结构以及冷却介质进行均衡化设计研究。具体研究内容如下：　　首先，以被动强化传热技术为指导，结合涟漪纹管结构特征，构建新型冷却流道，并进行传热性能分析以及布置优化。研究表明新型流道传热性能明显优于平直流道，原因如下：第一，突起结构使流体与壁面换热面积增大，传热性能提升；第二，突起结构对通道横截面的压缩使附近区域冷却液流速提高，对流换热系数增大；第三，各流层受突起结构曲率的影响相互重叠、掺混，热交换更加充分；第四，周期性布置的突起结构使流体频繁发生涡脱现象，从而减薄甚至破坏壁面热边界层，热阻降低。选取突起半径r、横向间距x、纵向间距y为结构参数，综合性能评价指标PEC为目标值，结合正交试验设计对冷却流道单通道进行布置优化，确定的最佳布置形式为：r=1.25mm，x=5mm，y=3mm，相较Base方案，PEC值在四种雷诺数工况下分别提升了3.04%、7.73%、12.88%、14.72%。　　随后，将新型冷却流道应用于锂离子电池组液冷系统中，在对电池生热模型进行精度验证后，建立液冷电池组多物理场耦合仿真模型，并进行散热影响因素分析。通过比较两种液冷板冷却下，电池组最高温度以及温差，验证了新型冷却流道液冷板冷却性能全面优于平直流道液冷板。在此基础上探究冷却流道通道数量、冷却液温度、流道高度、流道宽度以及流道斜度等因素对液冷板散热性能的影响，并针对结构参数进行灵敏度分析，研究表明：八通道形式的冷却流道散热性能最佳；低温冷却液使电池组最高温度得到有效降低，但温差受到壁面热量传递影响也随之增大；对于电池组最高温度、温差以及压降而言，各结构参数灵敏度排序均为：流道高度gt;流道斜度gt;流道宽度，流道高度对散热性能影响最大，占比均在50%以上，且对于温差而言，灵敏度达到65%；流道宽度影响则最小，占比均在10%以下。　　最后，针对液冷板结构以及冷却介质进行均衡化设计研究。结合熵权-AHP法、灰色关联理想解法以及NSGA-Ⅱ算法，选取流道高度h、流道宽度w、流道斜度s为设计因素，电池组最高温度、温差以及压降为目标函数，对液冷板进行均衡优化设计，确定最优因素组合为：h=6.47mm，w=33.96mm，s=7.51°，该方案下，电池组最高温度在初始温度为298.15K的基础上降低了6.2%，温差降低了16.9%，液冷板综合性能显著提升，优化效果明显。基于液冷板最优结构，探究低雷诺数工况下，体积份额以及颗粒尺度对Cu-乙二醇水纳米流体散热性能的影响。研究表明：随着体积份额的增大，纳米流体对流换热性能的提升大于压降的提升；粒径变化对纳米流体粘度的影响大于对导热系数的影响，因此粒径较大的Cu-乙二醇水纳米流体散热性能更优。最后在低雷诺数工况下对Cu-乙二醇水纳米流体散热性能进行均衡化评价，研究发现大粒径、高体积份额的纳米流体综合性能更佳；部分小粒径的Cu-乙二醇水纳米流体因粘度过大，综合性能较差，但粒径大于20nm后，流体综合性能显著提升，对流换热系数最大可提高60%。
作者：	金昕
专业：	车辆工程
导师：	王靖宇
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023