基于液体直接接触式电动汽车电池热管理系统研究与设计

发布时间：2020-04-01 10:40

【摘要】：温度对电池的性能和寿命都有很大影响,就目前技术而言还无法使电池在较宽的温度范围内都保持高性能,因此利用电池热管理系统将电池温度控制在最佳工作温度范围内就显得十分必要,基于此本文提出一种液体直接接触电池的热管理系统方案,采用理论分析、数值计算及试验验证的方法对热管理系统进行研究和设计,主要工作如下:(1)对目标电池进行充放电试验,综合电池的容量维度、内阻维度、放电电压维度以及寿命维度得到电池的最佳工作温度范围为15℃~40℃。分析电池实际使用温度范围与电池最佳工作温度范围的差异得出电池热管理系统的必要性并基于此确定了热管理系统目标性能,同时对热管理系统的结构和原理进行了详细阐释。(2)基于计算流体力学和传热学基础建立了单体电池热模型,并对电池进行了恒倍率放电下的温度场模拟,仿真结果与试验结果趋势一致,两者最大误差在7%以内,证明建立的电池热模型是可靠的。同时为了更好地模拟电动汽车实际使用过程中电池的生热情况,建立了基于NEDC和UDDS工况下的电池生热模型,得到了电池在各工况下的瞬时生热功率,为后文电池组的仿真分析奠定了基础。(3)提出了顶部平行式“U”型流道、底部平行式“U”型流道和高低交错式“U”型流道三种不同形式的流道结构并建立了相应结构的流固耦合模型,仿真结果表明高低交错式“U”型流道结构比平行式“U”型流道结构具有更好的散热、加热综合效果,因此选择高低交错式“U”型结构为本文流道的结构形式,在此基础上对电池组的散热、加热和保温效果进行了仿真分析,确定了系统散热和加热最佳流速为1.0m/s,加热功率为500W,保温材料为二氧化硅气凝胶,保温层厚度为10mm。(4)在仿真分析的基础上完成了热管理系统关键零部件选型计算,设计了热管理系统箱体结构,加工了热管理系统功能样机,制定了热管理系统控制策略,搭建了热管理控制系统程序模型,最后对基于液体直接接触式电池热管理系统进行了试验研究,结果表明该热管理系统具有良好的散热、加热和保温性能,试验结果和仿真结果基本一致。
【图文】：

温度场分布,电池,风冷,运行过程

华南理工大学硕士学位论文三维电化学-热耦合模型，并对电池进行了 0.5C 放外壳对热分布有重要影响，电极的电导率和电解液年王峰[29]等人基于国内外的研究成果，概述了几种池在不同温度下的产热量和温度场分布。研究电池中不可逆的反应增加，同时容量和充放电效率高温环境和大倍率充放电情况下仍然能维持最佳工温度过高的情况，提出了风冷、液冷、相变材料冷

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加之对于安全性的极高要求，液冷技术大多用于中高端车型，图1-3 为特斯拉 Model S 非直接接触式液冷电池包。图 1-3 特斯拉 Model S 液冷电池包相变材料能在某一恒定的或者近似恒定的温度下发生相变，吸收大量的热，因此可以利用材料的相变特性对电池进行热管理。石蜡由于其低廉的价格，较高的相变潜热，非常适合作为电池包的相变散热冷却材料，目前主要采用石蜡与多孔物质相结合，添加高导热系数添加剂的方式来提高石蜡的导热性能[39]。2005 年 Mills 等人[40]设计了一款基于相变材料的被动式电池冷却系统，，通过在相变材料中浸渍膨胀石墨（EG）基质的方式显著改善了相变材料的低导热性问题。2008 年 R.Kizilel 等人[41]研究了一种新型相变材料对磷酸铁锂电池温度和温度均匀性的被动控制效果。2009 年张国庆等人[42]利用石蜡/石墨相变复合材料对电池散热展开了研究，结果表明相变材料散热比传统风冷具有更好的冷却效果，并且在石蜡与石墨质量比为 4:1 时电池的散热效果达到最佳。2016 年魏增辉等人[43]设计了一种基于相变材料和液冷相耦合的电池冷却系统，并研究了不同液冷开启时刻及冷却流量对系统散热效果的影响。目前，相变材料热管理系统仍处于理论研究阶段，研究主要集中在研发具有高导热性能的复合相变材料、多孔金属/相变材料复合结构以及与其他冷却方式联合使用等方面，工程运用较少。图 1-4 为典型的基于相变材料散热的电池热管理系统结构。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U469.72

【参考文献】