基于热管的圆柱形锂离子电池热管理系统性能研究

随着新能源汽车的发展,电池热管理系统的研究至关重要。圆柱形锂离子电池因其能量密度高、无记忆效应、寿命长等优势受到广泛关注。热管具有高导热性能,是一种在电池热管理领域具有广泛应用前景的传热元件。因此,对于圆柱形锂离子电池的热管冷却,其结构的合理设计是提高电池冷却性能的关键。针对圆柱形锂离子电池,设计了热管与导热元件复合散热结构,采用数值计算方法,对其进行了仿真分析。并通过实验验证了仿真模型的准确性。研究加入导热元件前后、电池与导热元件内壁接触面的圆周角(简称,接触面圆周角)、导热元件高度对电池温度的影响。结合正交试验分析法,研究多因素包括电池间距、导热元件厚度、接触面圆周角、导热元件高度同时发生变化时对电池温度的影响,并在不同导热元件质量下确定导热元件高度的最佳值。为减少计算成本,对电池热管理系统建立一维传热网络模型,并通过实验验证传热网络模型的准确性,对比分析传热网络模型与数值模型,研究冷却液流速和电池包数目对电池冷却性能的影响。研究表明,加入导热元件可增大电池与热管之间的接触面积,显著提高单元模块冷却性能;导热元件与电池接触角越大,单元模块的冷却性能越好,当接触面圆周角大于95°时,接触面圆周角对单元模块冷却效果的影响较小;增加导热元件厚度能降低单元模块的温度,但效果不明显,建议厚度控制在4 mm以下为宜。导热元件高度对电池温度的影响是最显著的,接触面圆周角是第二影响因子,电池间距和导热元件厚度的影响较小;当电池间距为19 mm,导热元件厚度为4 mm,接触面圆周角为120°,导热元件高度为60 mm时,电池模块冷却性能最好,最高温度为27.62oC,最大温差为1.08oC;导热元件高度和接触面圆周角受导热元件质量的约束,不同导热元件质量下,导热元件高度控制在55 mm即可。同样条件下,采用传热网络模型可极大降低仿真时间,计算时间比采用数值仿真模型减少99.3%;5 C放电倍率下,冷却液流速增加可提高电池冷却性能,当冷却液流速增加到6 L·min~(-1)时,再增加冷却液流速对电池温度效果的提升较小;此放电倍率下,允许温度范围内电池包数目最多可达65排。