动力电池散热系统的热流场分析与设计
发布时间：2022-01-05 03:36
动力电池的热安全问题是电动汽车所面临的关键问题之一,为保证电池的热安全本文设计了一种动力电池散热系统,同时研究了散热系统的流场分布情况对于电池温度特性的影响规律,发现散热系统的流场分布越均匀其对电池的冷却效果越好。本文以三元方形电池为研究对象,在分析单体电池的生热机理和传热机理的基础上,建立了电池单体的导热数学模型,研究得到单体电池在放热过程中的发热率及热物性参数。并通过数值方法和实验方法得到电池的温度差异小于6%,由此判断数值方法的可靠性。在建立电池组简化模型的基础上,设计了不同流道形式的多种散热结构。其中之一采用Lagrangian数乘法在结构体积不变的约束下使得流体能耗最优化,由此设计出了一种以树状分形为流体分配方式的散热结构。使用STAR-CCM+软件对各个模型进行仿真,结果表明:散热结构的流量分布越均匀则电池模组的温度一致性越好,模组的表面温度也最低。同时分析了电池放电倍率、环境温度、冷却液流速这三种因素对于电池温度场的影响情况,其中电池放电倍率因素的所占权重最大。在冷却液流速分别为0.435m/s、0.541 m/s、0.645 m/s时,电池表面的最高温度相差在0.2℃以...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自热风冷式工作过程
中北大学学位论文4在冷却时主动风冷方式会有较大的压力损耗，以及电池间温度分布不均匀等问题产生，这是由于其受外部的环境温度影响较大和空气较低的热导率等因素的影响。图1-2强制风冷式工作过程Figure1-2Forcedair-cooledworkprocessAhmed[7]等人设计了串行和并行两种送风方式（图1-3），得出并行送风通过使用楔形进出口的方法可减小电池组间的温度差异。Mahamud[8]等研究了采用控制翻板阀门来调节冷却气体的流向，以达到降低包内温度及不均匀情况。梁昌杰[9]则研究了在电池包内增加各式扰流板对其散热能力的影响，得出加装扰流板可提高其效果。图1-3主动式风冷进风方式示意：(a)串行送风方式，(b)并行送风方式Figure1-3Schematicdiagramofactiveair-cooledairintake:(a)serialairsupply,(b)parallelairsupply液体冷却主要为液体直接或间接接触电池带走热量的方式，通常要求液体拥有较高的导热系数。直接接触方案为直接将电池放在液体中，液体通常采用硅基油、矿物油等有机油类，因为此类液体满足绝缘和导热系数高的要求，此类介质通常其黏度较大、流动性能弱的特性，不利于换热。间接接触式的传输介质一般为水、乙二醇、水和乙二醇的混合物等，此类物质的换热系数高同时流动性强，不过由于其不具有绝缘性，为避免液体泄漏发生电池短路，须保证管道的密封性。因此该系统的结构较为繁杂，成本亦相应较高。
中北大学学位论文4在冷却时主动风冷方式会有较大的压力损耗，以及电池间温度分布不均匀等问题产生，这是由于其受外部的环境温度影响较大和空气较低的热导率等因素的影响。图1-2强制风冷式工作过程Figure1-2Forcedair-cooledworkprocessAhmed[7]等人设计了串行和并行两种送风方式（图1-3），得出并行送风通过使用楔形进出口的方法可减小电池组间的温度差异。Mahamud[8]等研究了采用控制翻板阀门来调节冷却气体的流向，以达到降低包内温度及不均匀情况。梁昌杰[9]则研究了在电池包内增加各式扰流板对其散热能力的影响，得出加装扰流板可提高其效果。图1-3主动式风冷进风方式示意：(a)串行送风方式，(b)并行送风方式Figure1-3Schematicdiagramofactiveair-cooledairintake:(a)serialairsupply,(b)parallelairsupply液体冷却主要为液体直接或间接接触电池带走热量的方式，通常要求液体拥有较高的导热系数。直接接触方案为直接将电池放在液体中，液体通常采用硅基油、矿物油等有机油类，因为此类液体满足绝缘和导热系数高的要求，此类介质通常其黏度较大、流动性能弱的特性，不利于换热。间接接触式的传输介质一般为水、乙二醇、水和乙二醇的混合物等，此类物质的换热系数高同时流动性强，不过由于其不具有绝缘性，为避免液体泄漏发生电池短路，须保证管道的密封性。因此该系统的结构较为繁杂，成本亦相应较高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超临界流体Z型并联管组流动特性实验研究[J]. 赵于,胡晓玮,刘红杨,刘云云,毕勤成. 陕西科技大学学报. 2019(06)
[2]新能源汽车技术发展现状和趋势分析[J]. 侯涛,徐佳. 时代汽车. 2018(07)
[3]高安全高比能量动力锂离子电池系统路线探索[J]. 曹勇,严长青,王义飞,李道聪,林少雄,梁大宇,代北北,胡攀攀,卞林,杨续来,徐兴无. 储能科学与技术. 2018(03)
[4]暖风器集箱系统并联管组流量偏差因素的研究[J]. 徐党旗,侯逊,姬海民,张知翔,周飞,邹小刚,赵治平. 中国电力. 2018(02)
[5]带隔板并联管组流量分配特性的数值模拟[J]. 段飞,陈良才. 管道技术与设备. 2016(04)
[6]并联管组流体特性分析及均流模型设计[J]. 杨程,刘宏昭,原大宁. 太阳能学报. 2015(07)
[7]支路阻抗可调并联管路流量均布实验研究[J]. 万智华,王国平,陈宏振,苏长满,陈建. 实验科学与技术. 2015(03)
[8]LiFePO4动力电池热物性测定及温升特性研究[J]. 林坚生,宋文吉,高日新,冯自平. 电源技术. 2015(04)
[9]基于液体冷却和加热的电动汽车电池热管理系统(英文)[J]. 袁昊,王丽芳,王立业. 汽车安全与节能学报. 2012(04)
[10]并联管组内流量均匀分布的数学模型[J]. 别玉,胡明辅,毛文元,常静华. 动力工程学报. 2011(04)
博士论文
[1]微电网中电动汽车储能优化控制及储能梯级利用研究[D]. 吴盛军.东南大学 2017
[2]锂离子电池数值模型研究[D]. 冯毅.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2008
硕士论文
[1]车载动力电池组热管理仿真模拟与优化[D]. 侯大鹏.浙江大学 2017
[2]热耦合并联通道中超临界碳氢燃料流量分配与热特性研究[D]. 徐亚兴.哈尔滨工业大学 2017
[3]液冷式电池热管理系统设计及其正交优化[D]. 邱安.湖南大学 2017
[4]电动汽车电池检测与容量估算的研究[D]. 刘小东.天津理工大学 2017
[5]二氧化碳微通道平行流气冷器流量分配特性研究[D]. 张蒙蒙.郑州大学 2015
[6]锂离子电池钛酸锂负极材料的制备及电化学性能研究[D]. 张勇.重庆大学 2015
[7]基于热管技术的汽车动力电池组热控系统研究[D]. 陈维.华南理工大学 2014
[8]混合动力车用锂电池组液体冷却散热机理研究[D]. 张上安.湖南大学 2013
本文编号：3569648
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：101 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
自热风冷式工作过程
中北大学学位论文4在冷却时主动风冷方式会有较大的压力损耗，以及电池间温度分布不均匀等问题产生，这是由于其受外部的环境温度影响较大和空气较低的热导率等因素的影响。图1-2强制风冷式工作过程Figure1-2Forcedair-cooledworkprocessAhmed[7]等人设计了串行和并行两种送风方式（图1-3），得出并行送风通过使用楔形进出口的方法可减小电池组间的温度差异。Mahamud[8]等研究了采用控制翻板阀门来调节冷却气体的流向，以达到降低包内温度及不均匀情况。梁昌杰[9]则研究了在电池包内增加各式扰流板对其散热能力的影响，得出加装扰流板可提高其效果。图1-3主动式风冷进风方式示意：(a)串行送风方式，(b)并行送风方式Figure1-3Schematicdiagramofactiveair-cooledairintake:(a)serialairsupply,(b)parallelairsupply液体冷却主要为液体直接或间接接触电池带走热量的方式，通常要求液体拥有较高的导热系数。直接接触方案为直接将电池放在液体中，液体通常采用硅基油、矿物油等有机油类，因为此类液体满足绝缘和导热系数高的要求，此类介质通常其黏度较大、流动性能弱的特性，不利于换热。间接接触式的传输介质一般为水、乙二醇、水和乙二醇的混合物等，此类物质的换热系数高同时流动性强，不过由于其不具有绝缘性，为避免液体泄漏发生电池短路，须保证管道的密封性。因此该系统的结构较为繁杂，成本亦相应较高。
中北大学学位论文4在冷却时主动风冷方式会有较大的压力损耗，以及电池间温度分布不均匀等问题产生，这是由于其受外部的环境温度影响较大和空气较低的热导率等因素的影响。图1-2强制风冷式工作过程Figure1-2Forcedair-cooledworkprocessAhmed[7]等人设计了串行和并行两种送风方式（图1-3），得出并行送风通过使用楔形进出口的方法可减小电池组间的温度差异。Mahamud[8]等研究了采用控制翻板阀门来调节冷却气体的流向，以达到降低包内温度及不均匀情况。梁昌杰[9]则研究了在电池包内增加各式扰流板对其散热能力的影响，得出加装扰流板可提高其效果。图1-3主动式风冷进风方式示意：(a)串行送风方式，(b)并行送风方式Figure1-3Schematicdiagramofactiveair-cooledairintake:(a)serialairsupply,(b)parallelairsupply液体冷却主要为液体直接或间接接触电池带走热量的方式，通常要求液体拥有较高的导热系数。直接接触方案为直接将电池放在液体中，液体通常采用硅基油、矿物油等有机油类，因为此类液体满足绝缘和导热系数高的要求，此类介质通常其黏度较大、流动性能弱的特性，不利于换热。间接接触式的传输介质一般为水、乙二醇、水和乙二醇的混合物等，此类物质的换热系数高同时流动性强，不过由于其不具有绝缘性，为避免液体泄漏发生电池短路，须保证管道的密封性。因此该系统的结构较为繁杂，成本亦相应较高。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超临界流体Z型并联管组流动特性实验研究[J]. 赵于,胡晓玮,刘红杨,刘云云,毕勤成. 陕西科技大学学报. 2019(06)
[2]新能源汽车技术发展现状和趋势分析[J]. 侯涛,徐佳. 时代汽车. 2018(07)
[3]高安全高比能量动力锂离子电池系统路线探索[J]. 曹勇,严长青,王义飞,李道聪,林少雄,梁大宇,代北北,胡攀攀,卞林,杨续来,徐兴无. 储能科学与技术. 2018(03)
[4]暖风器集箱系统并联管组流量偏差因素的研究[J]. 徐党旗,侯逊,姬海民,张知翔,周飞,邹小刚,赵治平. 中国电力. 2018(02)
[5]带隔板并联管组流量分配特性的数值模拟[J]. 段飞,陈良才. 管道技术与设备. 2016(04)
[6]并联管组流体特性分析及均流模型设计[J]. 杨程,刘宏昭,原大宁. 太阳能学报. 2015(07)
[7]支路阻抗可调并联管路流量均布实验研究[J]. 万智华,王国平,陈宏振,苏长满,陈建. 实验科学与技术. 2015(03)
[8]LiFePO4动力电池热物性测定及温升特性研究[J]. 林坚生,宋文吉,高日新,冯自平. 电源技术. 2015(04)
[9]基于液体冷却和加热的电动汽车电池热管理系统(英文)[J]. 袁昊,王丽芳,王立业. 汽车安全与节能学报. 2012(04)
[10]并联管组内流量均匀分布的数学模型[J]. 别玉,胡明辅,毛文元,常静华. 动力工程学报. 2011(04)
博士论文
[1]微电网中电动汽车储能优化控制及储能梯级利用研究[D]. 吴盛军.东南大学 2017
[2]锂离子电池数值模型研究[D]. 冯毅.中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所） 2008
硕士论文
[1]车载动力电池组热管理仿真模拟与优化[D]. 侯大鹏.浙江大学 2017
[2]热耦合并联通道中超临界碳氢燃料流量分配与热特性研究[D]. 徐亚兴.哈尔滨工业大学 2017
[3]液冷式电池热管理系统设计及其正交优化[D]. 邱安.湖南大学 2017
[4]电动汽车电池检测与容量估算的研究[D]. 刘小东.天津理工大学 2017
[5]二氧化碳微通道平行流气冷器流量分配特性研究[D]. 张蒙蒙.郑州大学 2015
[6]锂离子电池钛酸锂负极材料的制备及电化学性能研究[D]. 张勇.重庆大学 2015
[7]基于热管技术的汽车动力电池组热控系统研究[D]. 陈维.华南理工大学 2014
[8]混合动力车用锂电池组液体冷却散热机理研究[D]. 张上安.湖南大学 2013
本文编号：3569648
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