电池组结构设计及其热管理液流传热强化研究

发布时间：2018-03-10 16:14

本文选题：电池成组　切入点：热管理　出处：《吉林大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着能源可持续发展和环境保护要求越来越高,电动汽车已经成为主流发展趋势。动力电池作为电动汽车的动力能源,且对温度的变化比较敏感。电池热控和电池包温度一致性是电动汽车使用性能、寿命和可靠性的重要保证。在动力电池的热特性及热管理的研究中,为保证电池的性能,既要保证电池工作在适宜温度,也要控制电池间的温差在合理范围内。因此,电池成组换热结构的高效传热和热管理系统研究越来越受到关注,并在大容量、高功率动力电池系统中成为重要的技术关键。研究工作总结了电动汽车动力电池成组及其热管理的应用技术和研究现状,并在此基础上对热管理技术的国内外研究及应用进行归纳分析。大容量、高强度电池组是保证电动汽车具有足够续航里程的基础,其热管理也逐渐由传统的风冷方式发展为液体冷却。液体流动换热具有较高的传热能力,这不仅可以解决电池高效冷却,便于寒冷气候条件下的预热,还可以利用液流循环实现多热力系统关联集成。研究工作针对电池成组的液体热管理方式,设计了四种典型的电池成组结构及其换热结构,在现有电池组基础上尽量实现轻量化和高效换热能力,保证其具有良好的电池热管理效能。研究工作主要围绕电池成组及其液体换热结构进行模型建立与分析,包括物理建模、计算方法、仿真分析和分析评价等。对圆柱电池组设计了软接触结构及其强化传热结构和电池组高导热片围绕非内流型传热结构,对于片状电池组设计了电池扁管束层叠结构和片状电池组高导热片夹层非内流型传热结构。对各电池组及其换热结构进行CFD设计计算,研究其基本热管理性能、温控性和温度一致性,以及分析不同条件下电池组的温度场分布和散热性能,并对散热结构进一步修改确定。通过仿真模拟电池组温度场和实验结果进行对比分析,结果表明两者吻合良好,说明所采用的模型计算方法是有效可行的。圆柱电池而言,在所设计的电池软接触面传热强化结构的热管理过程中,电池表面温度热控性能可保证中、低倍率放电时的电池热管理工作能力。非内流型高导热片传热结构,具有良好的轻量化特点和减少内部液流程,随着导热片厚度增加,换热能力不断增强;电池表面镶套高导热片套后,电池热控能力会进一步增强,而且电池周边温均性也有所提升。研究表明,当镶套高导热片达到一定厚度时,其对温均性影响相对减弱;在一定的冷却液流量变化范围内,进一步增大流量已对电池传热性能影响不明显,因此液流电池包换热结构热管理具有低流量特性,可以保证较小流动阻力;冷却液入口温度越低,电池组温度降低越快,但是降低冷却液进口温度将会导致成组电池间的温度一致性和电池表面的温度均匀性下降。因此,电池组入口温度调控策略必须兼顾电池温度一致性和温均性,并应与换热结构的传热速率有效配合。片状电池而言,基本的管束层叠结构可有效达到电池组的温控作用。放电倍率越大,平衡时的电池表面温度也越高,同时也易于形成较大的电池表面温差,导致电池表面温均性和电池间温度一致性变差。通过在电池扁管束层叠结构的电池表面贴合缠绕高导热片,有效提高电池表面周边的传热能力,不仅温均性提高,而且温度一致性也明显上升。同样,片状电池成组的非内流型高导热片传热结构,不仅具有良好的电池包轻量化和减少内部液流程的特点,而且表现出良好的热控性能。高导热片厚度越大,电池表面的温均性和电池间的一致性越好;冷却液流量和入口温度对片状电池热控性能影响与前述圆柱电池成组结构具有相近趋势和作用特征。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.72

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