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原文传递耦合热管的风冷式动力电池热管理研究

论文题名：	耦合热管的风冷式动力电池热管理研究
关键词：	动力电池;热管理;热管冷却;空气冷却;耦合空调;热管理协同
摘要：	随着“双碳目标”国家政策及淘汰传统内燃机计划的邻近，电动汽车的发展必将成为汽车行业发展的重中之重，而动力电池作为电动汽车的核心部件，其安全性和寿命与热管理系统息息相关。目前单一的风冷、液冷等热管理形式较为普遍，为了进一步提高热管理性能，兼顾简约轻量和节能降耗，本文开展了耦合热管的风冷式动力电池热管理研究，预期为设计空间紧张和轻量化要求高的汽车热管理系统提供可借鉴的系统方案。　　首先，应用多相流及多孔介质理论建立热管仿真计算模型，开展热管两相过程影响因素作用特性模拟研究。以常规形状的重力热管为基础，优化VOF仿真模型参数设置方式，分析二维和三维热管模型的仿真结果及管内两相过程并验证模型准确性。以电池的最佳工作温度为边界条件探索不同工质、不同充液率下热管的传热能力。随后在常规热管研究的基础上，选用丙酮作为工质，根据设计的热管理结构建立L形异形热管模型，通过仿真分析热阻、气相体积分数、壁面温度及换热系数等选择换热性能最好的热管工况。同时在仿真结论中发现L形热管弯折处的工质上升和回流较差，考虑在热管中加入吸液芯结构进行传热性能优化，通过多孔介质模型来模拟吸液芯中的液体流动，结果表明吸液芯的存在可以有效提高热管壁面的换热系数，最后在有吸液芯的热管结构中进行最佳充液率的仿真对比计算，得出可用于耦合仿真的传热参数。　　其次，开展耦合热管的电池成组结构设计及冷却性能研究，建立电池成组仿真计算模型，以21700锂动力电池为研究对象，分析评价5×6的电池模组的换热效果。首先进行电池与热管耦合的方案设计和模型建立，根据热管冷凝段散热的位置选择垂直进风的入口方式，同时探究不同的电池间距、进风口数量及进风口排列方式对电池组换热效果的影响，以电池组内最高温度、最低温度和平均温度为优化目标，综合考虑电池组内的电池温均性、系统能耗等因素，选择四进风口中心对称分布的形式。随后计算热管耦合风冷前后的电池温度分布情况，发现只有热管导热时组内电池间温度分布均匀，但单体电池温度一致性较差，顶部温度较高。对比研究环境风和空调冷风的热管理效果，结果表明，在常温环境下本次设计的耦合热管的成组电池热管理结构可以将组内电池的平均温度控制在35℃以内，在高温环境下可以将电池组平均温度控制在40℃较佳温度范围以内。　　最后，开展耦合空调的电池热管理系统设计与仿真研究。建立耦合空调的热管理系统及电池包、压缩机、蒸发器等各部件的一维模型，将构建的Amesim一维耦合空调热管理系统与前述三维电池组冷却模型实现联合仿真，建立相应的“1D+3D”关联计算方法。研究空调冷却介入情况下，电池包放电倍率及环境温度变化对电池热管理系统及制冷系统的影响作用，以及乘员舱制冷开启前后制冷系统能效比COP（CoefficientofPerformance）的变化情况。结果表明，耦合空调的电池热管理系统可以有效实现高温环境下电池温度保障，同时可以兼顾乘员舱冷负荷需求。
作者：	杨凯乔
专业：	能源动力
导师：	高青
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023