详情

原文传递基于微小通道液冷的电池热管理系统热特性与传热强化研究

论文题名：	基于微小通道液冷的电池热管理系统热特性与传热强化研究
关键词：	电动汽车;电池热管理;微小通道;传热强化;多目标优化
摘要：	锂离子电池作为电动汽车的动力源，其性能的优劣直接影响整车综合性能。当动力电池进行高倍率充放电或在高温环境工作时，会产生大量热量，而由于电池包中动力电池布置结构紧凑，易出现电池包温度过高情况，轻则导致动力电池循环寿命下降，影响电动汽车的性能和续航里程，重则引发单块电池或整个电池组热失控，导致安全事故发生。高效率的电池热管理系统对控制电池温度，保障其工作性能、循环寿命、热安全性以及应对电池发展趋势具有举足轻重的意义。　　本文提出Tesla阀型微小通道冷板用于高倍率动力电池的高效冷却，并基于实验数据和Bernardi产热速率模型建立单体电池产热模型，采用计算流体力学软件（Fluent）编写电池产热用户自定义函数，建立电池-冷板共轭传热的数值仿真模型。在常温298K（25℃）和高倍率放电条件下（2C-210A），首先探究电池散热面对电池散热特性的影响；然后对比分析直微小通道冷板和Tesla阀型微小通道冷板流动与传热特性和能量流分布规律，揭示Tesla阀型微小通道冷板传热强化机理；最后，建立基于电池模组的热-流多目标优化方法，分析Tesla阀间距、流道厚度和冷却液质量流量对传热强化和冷却效率的影响，获得温度控制和功耗最优的关键结构和操作参数。本文研究内容如下：　　（1）基于实验数据和Bernardi产热速率模型，编写单体电池产热用户自定义函数，采用Fluent建立单体电池产热模型，探究锂离子电池不同散热面对电池散热特性的影响。结果表明：单体电池数值仿真的温升曲线与实验值吻合度较高。在环境温度为298K（25℃），放电倍率为2C（210A）条件下放电80%，相比于主面冷却，侧面冷却对电池的控温性能更佳，可将电池最高温度和最大温差分别降低5.6K及8.5K。　　（2）建立电池-冷板共轭传热模型，探究Tesla阀型微小通道冷板对动力电池散热强化的影响，揭示Tesla阀型微小通道冷板传热强化机理。首先采用正交实验设计研究Tesla阀主要结构参数对散热性能和压降的影响，结果表明Tesla阀关键结构参数对冷板散热的影响较小。然后雷诺数（ReynoldsNumber,Re）在200-1400范围内，对比分析直微小通道冷板和Tesla阀型微小通道冷板流动与传热特性和能量流分布规律。在中等Re条件下（Re=500），正向Tesla阀型微小通道冷板相比于直微小通道冷板散热性能显著提高，最高温度降低3.8K。通过局部换热系数和湍动能分析发现，Tesla阀强化了流体冲击和混合效应，强烈的流体扰动强化了局部换热系数，具有高局部传热系数的强化单元沿流程均匀分布，提升了电池温度均匀性。进一步探究Tesla阀数量、流道数量与流道进出口位置对散热性能和压降的影响规律，通过优化，电池最高温度降低至311K（38℃），此时努塞尔数（NusseltNumber,Nu）提升近1倍，有效传热强化因子提升1.74倍，冷板换热量达到电池产热的59.2%。　　（3）采用Kriging代理模型和NSGA-Ⅱ（Non-dominatedSortingGeneticAlgorithm-Ⅱ）遗传算法，建立基于电池模组的热-流多目标优化模型，探究Tesla阀间距、流道厚度及冷却液质量流量对冷却效率和传热强化因子的影响。结果表明在不降低散热效果的情况下，可将压降从50.7kPa降低到12.3kPa，降幅达75.7%，有效降低电池散热系统的能耗。　　本文提出将Tesla阀型微小通道冷板用于高倍率放电动力电池的散热，通过分析电池散热面散热特性、优化Tesla阀型微小通道冷板和电池组热-流分布，为动力电池热管理提供一种高效散热方式，具有一定参考意义。
作者：	山述民
专业：	工程(车辆工程)
导师：	赖晨光;冯帅;王庆洋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆理工大学
学位年度：	2023