动力电池热管理用U型板式热管实验研究

随着电动汽车向高续航里程、高安全性以及短充电时间等方向发展,动力电池的性能和寿命成为关键制约因素。只有在合适的温度内工作,动力电池才能保持高性能和长寿命,因此开发出高效可靠的电池热管理系统尤为重要。本文提出一种基于U型板式热管的电池热管理系统,通过实验对U型板式热管的流动特性和传热机理进行了详细研究,并进一步利用模拟电池模组对装配了 U型板式热管的模拟电池散热系统的性能进行了实验研究。首先,实验研究了充液率和热流密度对U型板式热管传热性能的影响。结果表明,U型板式热管的充液率可以分为三个区间:未平衡充液率、振荡充液率和热平衡充液率。在热平衡充液率区间,热管热端温度在充液率56%～63%基本不变,然后在63%～98%随充液率增加不断升高。通过热阻分析发现U型板式铝热管在充液率63%时性能最佳,热流密度为0.35 W/cm2时热管热阻最小。然后,采用石英玻璃管制作了与U型板式热管结构相似的可视化实验件,研究了其在不同阶段汽液工质流动特性和传热性能。在热管启动前观察到汽液塞管、蒸汽管和液体管三种工质状态,分别对应循环流动时形成的塞状流、环状流和液柱振荡。实验结果表明,塞状流和环状流的传热能力远大于液柱振荡。工质在热管内循环流动时,在热端观察到汽泡产生的三个阶段:汽泡脱离、汽泡融合、汽塞变化;在折弯处观察到环状流转变为塞状流或搅混流的过程。实验还发现,U型板式热管的启动是由液体管产生汽塞引起的,而液体管的数量随充液率增大而增多,因此存在一个最佳的充液率范围,使热管既容易启动、又具有很强的传热能力。U型板式热管的启动还和热流密度有关,随热流密度增大,热管的启动温差会减小。对不同工质实验研究发现,R134a作为工质的U型板式热管传热性能优于R113。最后,对装配了 U型板式热管散热的模拟电池模组进行了模拟真实电池充放电发热工况的实验。发现U型板式热管能明显减小模拟电池模组的温差,提升电芯间温度的均匀性。在模拟1C充1C放电工况时,模拟电池模组的最高温度从自然散热时的61.74℃下降到装有热管散热时的36℃,而且由热管散热的热量占模拟电池总发热量的60%以上。在U型板式热管耦合水冷板散热时,不同倍率充电实验发现,充电倍率为1C的工况下,可以将模拟电池最高温度控制在36.2℃。