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微通道复合热管理系统锂离子电池散热性能研究
| 论文题名： | 微通道复合热管理系统锂离子电池散热性能研究 |
| 关键词： | 电动汽车;锂电池;热管理系统;仿生微通道;水冷方式;相变材料;散热性能 |
| 摘要： | 高倍率放电条件下的圆柱形锂离子电池的散热性能对电动汽车的安全性至关重要。受到工蕨属植物的茎叶生长方式的启发，本文提出一种基于仿生微通道水冷与相变材料复合的锂电池热管理系统（BTMS），该系统能够把电池的温度维持在安全范围以内，并且能够进一步提高电池温度的均匀性。本文通过数值模拟和物理实验，针对所提出的电池热管理系统的散热性能进行研究，主要内容如下： （1）针对26650锂电池，阐述了其产热原理和传热机制，并对电池的等效内阻进行测量和分析，得出了锂电池的等效内阻在不同环境温度和不同放电倍率下与电池核电状态（SOC）的关系。通过数值模拟和物理实验，对比分析了锂电池单体在4C放电条件下，自然对流、相变材料及复合散热三种不同散热方式的最高温度及最大温差，得出数值模拟与物理实验结果的吻合度较高。 （2）通过研究不同环境温度和放电倍率对单体电池温度场的影响，发现电池在高温高倍率工作环境中，仅依靠自然对流的方式不能使电池保持在安全温度范围内。通过数值模拟，分析了在4C放电倍率条件下的相变材料的厚度、管径、管道层数、进口液体流速与进出口排列方式对单体电池热性能的影响。在单体电池研究基础上，提出了电池模组热管理系统，并在4C和5C放电倍率下，分析了不同进口流量对模组的最高温度、最大温差及复合相变材料（CPCM）的液相率的影响。与传统BTMS相比较，分析了所提出的仿生BTMS在单次放电及循环充放电条件下的散热性能。 （3）针对26650电池的高温高倍率环境设计出一种仿生肾蕨属下的微通道水冷与CPCM耦合的热管理系统。通过分别对电池单体及模组温度场的仿真分析和物理实验，研究了该系统的散热性能。结果表明，相变材料的厚度为2mm最为合适，当管道进口流速一定时，电池的最高温度和温差随着仿生管道的层数和管径的增加而减小；当管道进口流速为0.04m/s时，相变材料的液相率可以控制在40%左右；随着管道进出口排列角度的增加，电池最高温度有所下降，温差减小。采用所提出的复合锂电池热管理系统能将高温高倍率下的单体电池和电池模组的最高温度和温差控制在安全范围内。比较发现仿生BTMS的性能优于传统BTMS的性能。经过多次充放电模拟，发现仿生 BTMS 下的电池模组最高温度和最大温差总在安全范围之内，每次循环放电结束电池模组的最高温度维持在在309.77K附近，电池模组最大温差维持在4.06K附近，且CPCM的液相率总能维持在40%左右。 |
| 作者： | 张春杰 |
| 专业： | 机械 |
| 导师： | 安治国 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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