基于相变材料与液冷结合的锂离子电池热管理技术研究
发布时间：2021-03-11 07:49
环境污染与能源紧缺两大问题日益严重,以电动汽车为代表的新能源汽车应运而发展。应用最为广泛的锂离子电池作为电动汽车的核心部件,其能量密度在不断提升,但是电池产热量也随之提高。锂离子电池散热是否充分、温度分布是否均匀将直接影响电池的循环寿命、使用效率和运行安全。相比于传统的风冷、液冷、热管等电池冷却方式,相变材料具有相变恒温吸热的特性,且不需要额外消耗泵工,对电池组具有较好的控温和均温效果,但由于相变材料潜热有限,在某些恶劣工况下存在一定的局限性,因此将相变材料与诸如液冷等主动散热方式结合的复合电池热管理技术具有重要研究意义。本文以3*5 15串18650锂离子电池模组为研究对象,主要研究内容是基于相变材料的电池模组散热仿真分析与实验验证,优化设计一种新型相变材料与液冷相结合的电池热管理冷却方案。在具体的研究过程中,本文在分析了锂离子电池结构、原理和生热机理后,获取了单体电池在不同环境温度和SOC值下的生热速率,在分析了相变材料在电池热管理应用上的选型要求后,选择和制备了石蜡-膨胀石墨复合相变材料,并根据散热要求估算了相变材料用量。根据理论分析探究锂离子电池相变冷却数学模型,应用Fluen...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
新能源汽车月度销量统计[1]
浙江大学硕士学位论文绪论3图1.2某电动汽车在高速公路发生自燃[5]为了获得稳定和高效的电池性能，电池组的热管理系统应当满足以下两点要求：一是电池工作在合适的温度范围，避免因温度过低或过高导致电池性能降低；二是单体电池之间有较小平均温差，从而确保电池性能的一致性提升循环使用寿命。一般说来，要求车用动力电池热管理系统将电池的工作温度控制在25~40℃以内，电池间的温差控制在5℃以下[7]。因此开展对电动汽车锂离子动力电池热管理技术的研究具有重要的意义。1.2锂离子电池热管理冷却技术研究进展由于电动汽车的使用条件复杂，若动力电池长期处于大电流充放电的滥用状态，以及所处环境温度较高时，锂离子电池的温度都将急剧上升[8]。目前行之有效的电池热管理冷却方式主要有以空气为介质的冷却方式、以液体为介质的冷却方式、基于热管技术的方式以及基于相变材料换热的冷却方式[9]。1.2.1空气冷却热管理空气冷却使用空气作为冷却介质，通过空气与电池表面形成自然对流或强制对流来降低电池的温度。空气冷却是当前电动汽车常用的冷却方法，它由于结构简单，价格便宜，维护方便而被广泛使用。由于自然对流冷却效率低，因此目前大多数风冷都是通过风扇或者汽车行进时产生的迎风形成空气和电池之间的强制对流来对电池组进行冷却。而根据通风方式的不同，空冷又可以分为串行式和
浙江大学硕士学位论文绪论4并行式通风两种，如图1.3所示。图1.3空气冷却结构示意图在串行通风时，空气从进入电池组的过程中，不断吸收电池的热量，导致温度逐渐升高，从而对电池的冷却效果逐渐降低。因此，造成了空气入口端电池温度较低，空气出口端电池温度较高，电池组温度均匀性较差。而在并行通风中，空气以接近相同的速度更均匀地流过每个电池，较为均匀的吸收电池表面的热量，从而减小了电池之间的温度差。因此，使用并行式通风的风冷电池热管理系统应用更为广泛。FanHe和LinMa等[10]通过研究风扇对电池进行强制对流换热的散热效果，结果表明强制空气冷却能有效降低电池组温度，并采用并行式通风可显著提高电池组内部温度分布均匀性。NaixingYang等[11]针对圆柱形的锂离子电池组设计了一个强制风冷热管理系统，研究了在特定风速下不同电池排列方式对电池组散热效果的影响。研究表明，叉排式的电池排列比顺排式具有更好的散热效果。1.2.2液体冷却热管理当空气冷却技术存在局限性时，液体冷却技术便得到了进一步发展。液体冷却方法利用液体介质的对流传热的作用来带走电池在工作过程中产生的热量。液体冷却和空气冷却都是采用对流传热的方式将电池组的热量通过冷却介质带走，但与空冷相比，液体介质比空气有更高的传热系数。根据液体介质是否与电池直接接触，液体冷却方法可分为直接接触和间接接触两种方式，结构示意图如图1.4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于现实的新能源汽车发展探析[J]. 王晓红. 价值工程. 2019(32)
[2]锂离子动力电池相变冷却实验研究[J]. 黄瑞,洪文华,俞小莉,陈俊玄,李智,何晓帆. 实验技术与管理. 2019(10)
[3]如何做好动力电池热失控的安全防控?[J]. 欧阳明高. 汽车纵横. 2019(07)
[4]基于热管技术的动力电池热管理系统研究现状及展望[J]. 丹聃,姚程宁,张扬军,钱煜平,诸葛伟林. 科学通报. 2019(07)
[5]基于相变材料和液冷的LiFePO4电池包热管理研究[J]. 魏增辉,许思传,李钊,林春景,常国峰. 电源技术. 2016(01)
[6]烟气冷却器在电厂烟气余热回收中的应用[J]. 柏莹,王凯. 节能. 2015(02)
[7]锂电池开路电压的预估及SOC估算[J]. 邓晔,胡越黎,滕华强. 仪表技术. 2015(02)
[8]电动汽车用锂离子电池的温度敏感性研究综述[J]. 李平,安富强,张剑波,王浩然. 汽车安全与节能学报. 2014(03)
[9]电动汽车用锂离子电池生热速率模型[J]. 朱聪,李兴虎,宋凌珺. 汽车工程. 2014(02)
[10]电动汽车磷酸铁锂动力电池技术的发展[J]. 于京诺,王强,陈炜. 汽车电器. 2011(10)
博士论文
[1]基于膨胀石墨基复合相变材料的动力电池热管理系统性能研究[D]. 凌子夜.华南理工大学 2016
[2]复合相变材料储能及热控的理论和实验研究[D]. 谢标.中国科学技术大学 2016
[3]基于固液相变传热介质的动力电池热管理研究[D]. 饶中浩.华南理工大学 2013
[4]聚乙二醇基复合储热材料的制备、性能及其相变传热过程研究[D]. 张磊.武汉理工大学 2012
硕士论文
[1]相变材料在锂离子动力电池热管理中的应用研究[D]. 洪文华.浙江大学 2019
[2]基于相变材料与热管耦合的动力电池热管理研究[D]. 赵明旭.南京理工大学 2018
[3]基于液冷的纯电动汽车锂电池热管理研究[D]. 薛超坦.吉林大学 2017
[4]基于相变材料的锂离子电池热管理系统性能优化研究[D]. 刘奇.重庆交通大学 2017
[5]电动汽车电池组热管理系统的研究与设计[D]. 于建新.吉林大学 2016
[6]电动车锂电池热管理系统研究[D]. 赵卫兵.吉林大学 2014
[7]磷酸铁锂动力电池管理系统的研究[D]. 杨飞.重庆大学 2010
本文编号：3076130
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
新能源汽车月度销量统计[1]
浙江大学硕士学位论文绪论3图1.2某电动汽车在高速公路发生自燃[5]为了获得稳定和高效的电池性能，电池组的热管理系统应当满足以下两点要求：一是电池工作在合适的温度范围，避免因温度过低或过高导致电池性能降低；二是单体电池之间有较小平均温差，从而确保电池性能的一致性提升循环使用寿命。一般说来，要求车用动力电池热管理系统将电池的工作温度控制在25~40℃以内，电池间的温差控制在5℃以下[7]。因此开展对电动汽车锂离子动力电池热管理技术的研究具有重要的意义。1.2锂离子电池热管理冷却技术研究进展由于电动汽车的使用条件复杂，若动力电池长期处于大电流充放电的滥用状态，以及所处环境温度较高时，锂离子电池的温度都将急剧上升[8]。目前行之有效的电池热管理冷却方式主要有以空气为介质的冷却方式、以液体为介质的冷却方式、基于热管技术的方式以及基于相变材料换热的冷却方式[9]。1.2.1空气冷却热管理空气冷却使用空气作为冷却介质，通过空气与电池表面形成自然对流或强制对流来降低电池的温度。空气冷却是当前电动汽车常用的冷却方法，它由于结构简单，价格便宜，维护方便而被广泛使用。由于自然对流冷却效率低，因此目前大多数风冷都是通过风扇或者汽车行进时产生的迎风形成空气和电池之间的强制对流来对电池组进行冷却。而根据通风方式的不同，空冷又可以分为串行式和
浙江大学硕士学位论文绪论4并行式通风两种，如图1.3所示。图1.3空气冷却结构示意图在串行通风时，空气从进入电池组的过程中，不断吸收电池的热量，导致温度逐渐升高，从而对电池的冷却效果逐渐降低。因此，造成了空气入口端电池温度较低，空气出口端电池温度较高，电池组温度均匀性较差。而在并行通风中，空气以接近相同的速度更均匀地流过每个电池，较为均匀的吸收电池表面的热量，从而减小了电池之间的温度差。因此，使用并行式通风的风冷电池热管理系统应用更为广泛。FanHe和LinMa等[10]通过研究风扇对电池进行强制对流换热的散热效果，结果表明强制空气冷却能有效降低电池组温度，并采用并行式通风可显著提高电池组内部温度分布均匀性。NaixingYang等[11]针对圆柱形的锂离子电池组设计了一个强制风冷热管理系统，研究了在特定风速下不同电池排列方式对电池组散热效果的影响。研究表明，叉排式的电池排列比顺排式具有更好的散热效果。1.2.2液体冷却热管理当空气冷却技术存在局限性时，液体冷却技术便得到了进一步发展。液体冷却方法利用液体介质的对流传热的作用来带走电池在工作过程中产生的热量。液体冷却和空气冷却都是采用对流传热的方式将电池组的热量通过冷却介质带走，但与空冷相比，液体介质比空气有更高的传热系数。根据液体介质是否与电池直接接触，液体冷却方法可分为直接接触和间接接触两种方式，结构示意图如图1.4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于现实的新能源汽车发展探析[J]. 王晓红. 价值工程. 2019(32)
[2]锂离子动力电池相变冷却实验研究[J]. 黄瑞,洪文华,俞小莉,陈俊玄,李智,何晓帆. 实验技术与管理. 2019(10)
[3]如何做好动力电池热失控的安全防控?[J]. 欧阳明高. 汽车纵横. 2019(07)
[4]基于热管技术的动力电池热管理系统研究现状及展望[J]. 丹聃,姚程宁,张扬军,钱煜平,诸葛伟林. 科学通报. 2019(07)
[5]基于相变材料和液冷的LiFePO4电池包热管理研究[J]. 魏增辉,许思传,李钊,林春景,常国峰. 电源技术. 2016(01)
[6]烟气冷却器在电厂烟气余热回收中的应用[J]. 柏莹,王凯. 节能. 2015(02)
[7]锂电池开路电压的预估及SOC估算[J]. 邓晔,胡越黎,滕华强. 仪表技术. 2015(02)
[8]电动汽车用锂离子电池的温度敏感性研究综述[J]. 李平,安富强,张剑波,王浩然. 汽车安全与节能学报. 2014(03)
[9]电动汽车用锂离子电池生热速率模型[J]. 朱聪,李兴虎,宋凌珺. 汽车工程. 2014(02)
[10]电动汽车磷酸铁锂动力电池技术的发展[J]. 于京诺,王强,陈炜. 汽车电器. 2011(10)
博士论文
[1]基于膨胀石墨基复合相变材料的动力电池热管理系统性能研究[D]. 凌子夜.华南理工大学 2016
[2]复合相变材料储能及热控的理论和实验研究[D]. 谢标.中国科学技术大学 2016
[3]基于固液相变传热介质的动力电池热管理研究[D]. 饶中浩.华南理工大学 2013
[4]聚乙二醇基复合储热材料的制备、性能及其相变传热过程研究[D]. 张磊.武汉理工大学 2012
硕士论文
[1]相变材料在锂离子动力电池热管理中的应用研究[D]. 洪文华.浙江大学 2019
[2]基于相变材料与热管耦合的动力电池热管理研究[D]. 赵明旭.南京理工大学 2018
[3]基于液冷的纯电动汽车锂电池热管理研究[D]. 薛超坦.吉林大学 2017
[4]基于相变材料的锂离子电池热管理系统性能优化研究[D]. 刘奇.重庆交通大学 2017
[5]电动汽车电池组热管理系统的研究与设计[D]. 于建新.吉林大学 2016
[6]电动车锂电池热管理系统研究[D]. 赵卫兵.吉林大学 2014
[7]磷酸铁锂动力电池管理系统的研究[D]. 杨飞.重庆大学 2010
本文编号：3076130
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