动力电池组热管冷却系统传热特性分析

电池热管理系统对于新能源汽车动力性能有着至关重要的影响,有效的冷却能够改善动力电池工作环境和工作性能,从而保证电动汽车的行车安全性和可靠性。国内外研究者在动力电池冷却技术及电池热管理方面开展了大量研究,主要针对空冷、水冷、相变材料冷却和热管冷却这几种冷却技术进行研究和改善,目前工程实际普遍使用的是空冷和水冷系统,但由于相变冷却对于提升电池组温度一致性具有很大优势,电池组相变材料冷却和热管冷却有望发展为新一代电池组热管理技术。本文依托国家自然基金项目(项目号:51375202),采用理论研究、仿真分析和试验验证相结合的研究方法,建立了车用锂离子电池的电化学-热耦合模型,对热管冷却系统的基础传热问题进行了研究,并通过仿真和试验研究了热管冷却系统冷却特性和温度场均匀性问题,通过研究基础共性技术,为热管冷却系统应用于新能源汽车动力电池热管理系统奠定基础。本文主要研究内容如下:(1)建立了锂离子电池的电化学-热耦合模型,搭建了数学模型控制方程,研究了电池的基本特性,包括电池容量、电池充放电曲线、不同倍率下的放电曲线及单体电池的温度特性。(2)主要针对热管冷却系统涉及到的基础传热问题进行了研究,包括热管相变传热、流体横掠管束的外部强迫对流传热系数和多层固体热传导中的接触热阻。介绍了热管冷却系统的结构与机理,将复杂的热管内伴随相变传热的两相流动问题进行了简化,得到了热管相变传热的等效传导模型;通过试验关联式求解了流体横掠管束的外部强迫对流传热系数;利用功率谱法确定了粗糙接触表面的分形参数,并通过Monte Carlo随机数模拟方法描述了粗糙接触表面形貌,最终基于建立的粗糙表面形貌确定了接触热导。(3)基于COMSOL仿真软件,建立了以12块动力电池为基础的热管冷却系统仿真模型,研究了单体电池的温升特性,并着重研究了电池模组的温度场均匀性以及温度均匀性的影响因素,此外,对比研究了热管冷却系统相对于自然对流的温升特性、高温冷却特性和低温加热特性。(4)搭建了动力电池组热管冷却试验系统,通过对自然对流冷却和热管-强制空气冷却的对比试验研究,分析动力电池组在不同冷却方式、不同放电倍率下的冷却效果和温度场均匀性,针对仿真与试验结果对热管冷却系统进行了对比分析,为热管冷却系统应用于新能源汽车动力电池热管理系统奠定了一定的基础。