基于相变材料-铝板-翅片复合散热的电池模组热特性研究
这是一篇关于锂离子电池,复合散热,相变材料,热特性,瞬态分析的论文, 主要内容为近年来,随着化石能源危机的来临,各国都投入资金及优化政策来布局新能源赛道。纯电动汽车在此大环境下迅速发展,但是纯电动汽车发展面临的主要阻碍是续航里程短、高倍率充/放电温度高等。作为电动汽车的动力来源之一的锂离子电池,其性能对温度的变化极为敏感,20℃～45℃是其最佳的工作温度范围。一旦长时间超过50℃工作,易引发电池热安全问题;温度低于10℃特别是在0℃以下会增加电池直流内阻,导致电池充电受阻从而使续航里程减少。针对温度对电池性能影响导致的热安全性和热均衡性问题,设计一种高效的热管理系统从而保证电池工作在最佳温度至关重要。本文以三元软包锂离子电池为研究对象,采用实验与仿真相结合的方法,设计相变材料-铝板-翅片复合散热结构。根据电池生-传热机理,在HPPC和熵变系数实验基础上获得电池直流内阻和熵变系数,从而建立精确的热模型。并且在不同放电倍率下对比分析电池单体仿真与实验温升从而验证电池热模型的可靠性。基于电池单体验证模型,分别设计三种电池模组散热结构,对比分析在4C放电倍率下自然对流、纯相变、相变材料-铝板-翅片复合散热结构的散热特性,优选散热效果最佳的结构。并在此基础上分析不同放电倍率、相变材料熔点对电池散热性能的影响,并且优化结构参数从而获得最佳的相变材料-铝板-翅片复合散热系统。具体研究内容如下:(1)理论分析锂离子电池的生-传-散热规律,同时搭架实验操作平台,通过在不同温度条件下的HPPC和熵变系数实验,测得欧姆内阻、极化内阻和熵变系数,建立电池热模型。将实验测得数据编译成场函数导入STAR-CCM+,通过CFD模拟仿真电池单体在不同放电倍率下的温升,并对比相同放电倍率条件下的温升实验数据,从而验证电池单体热模型的精度。(2)设计了自然对流、纯相变、相变材料-铝板-翅片复合散热结构,瞬态分析了3种散热结构在4C放电倍率时的对电池模组散热的效果。以电池模组ΔTma x和Tma x为评价指标,分析得出相变材料-铝板-翅片复合散热结构散热效果最佳,相比于自然对流和纯相变散热,其Tmax可分别下降30.2℃和17.2℃。(3)在相变材料-铝板-翅片复合散热结构的基础上,分析了其分别在2C、3C、4C、5C倍率放电时的温度分布趋势,得出电池模组即使在5C放电倍率下,当t<675s时,电池Tmax也可保持在电池的正常工作温度范围内。4C放电倍率下,研究不同相变材料熔点对电池模组散热的影响。石蜡熔点越高其发挥潜热吸能作用所需时间越长,在环境温度为25℃时,熔点为28℃的石蜡潜热吸能作用最佳。(4)为进一步提高相变材料-铝板-翅片复合散热的效果,以αs*、Tma x、ΔTma x为评价指标,探讨了在相同放电倍率下dpcm、bfin、sfin对电池散热的影响。单纯的增加dpcm,对电池散热效果反而不利,要配合bfin和sfin才能使其散热效果最佳。当dpcm=8mm,bfin=7.5mm,sfin=4mm时,电池模组散热综合效果最佳。
基于相变材料-铝板-翅片复合散热的电池模组热特性研究
这是一篇关于锂离子电池,复合散热,相变材料,热特性,瞬态分析的论文, 主要内容为近年来,随着化石能源危机的来临,各国都投入资金及优化政策来布局新能源赛道。纯电动汽车在此大环境下迅速发展,但是纯电动汽车发展面临的主要阻碍是续航里程短、高倍率充/放电温度高等。作为电动汽车的动力来源之一的锂离子电池,其性能对温度的变化极为敏感,20℃～45℃是其最佳的工作温度范围。一旦长时间超过50℃工作,易引发电池热安全问题;温度低于10℃特别是在0℃以下会增加电池直流内阻,导致电池充电受阻从而使续航里程减少。针对温度对电池性能影响导致的热安全性和热均衡性问题,设计一种高效的热管理系统从而保证电池工作在最佳温度至关重要。本文以三元软包锂离子电池为研究对象,采用实验与仿真相结合的方法,设计相变材料-铝板-翅片复合散热结构。根据电池生-传热机理,在HPPC和熵变系数实验基础上获得电池直流内阻和熵变系数,从而建立精确的热模型。并且在不同放电倍率下对比分析电池单体仿真与实验温升从而验证电池热模型的可靠性。基于电池单体验证模型,分别设计三种电池模组散热结构,对比分析在4C放电倍率下自然对流、纯相变、相变材料-铝板-翅片复合散热结构的散热特性,优选散热效果最佳的结构。并在此基础上分析不同放电倍率、相变材料熔点对电池散热性能的影响,并且优化结构参数从而获得最佳的相变材料-铝板-翅片复合散热系统。具体研究内容如下:(1)理论分析锂离子电池的生-传-散热规律,同时搭架实验操作平台,通过在不同温度条件下的HPPC和熵变系数实验,测得欧姆内阻、极化内阻和熵变系数,建立电池热模型。将实验测得数据编译成场函数导入STAR-CCM+,通过CFD模拟仿真电池单体在不同放电倍率下的温升,并对比相同放电倍率条件下的温升实验数据,从而验证电池单体热模型的精度。(2)设计了自然对流、纯相变、相变材料-铝板-翅片复合散热结构,瞬态分析了3种散热结构在4C放电倍率时的对电池模组散热的效果。以电池模组ΔTma x和Tma x为评价指标,分析得出相变材料-铝板-翅片复合散热结构散热效果最佳,相比于自然对流和纯相变散热,其Tmax可分别下降30.2℃和17.2℃。(3)在相变材料-铝板-翅片复合散热结构的基础上,分析了其分别在2C、3C、4C、5C倍率放电时的温度分布趋势,得出电池模组即使在5C放电倍率下,当t<675s时,电池Tmax也可保持在电池的正常工作温度范围内。4C放电倍率下,研究不同相变材料熔点对电池模组散热的影响。石蜡熔点越高其发挥潜热吸能作用所需时间越长,在环境温度为25℃时,熔点为28℃的石蜡潜热吸能作用最佳。(4)为进一步提高相变材料-铝板-翅片复合散热的效果,以αs*、Tma x、ΔTma x为评价指标,探讨了在相同放电倍率下dpcm、bfin、sfin对电池散热的影响。单纯的增加dpcm,对电池散热效果反而不利,要配合bfin和sfin才能使其散热效果最佳。当dpcm=8mm,bfin=7.5mm,sfin=4mm时,电池模组散热综合效果最佳。
相变协同液冷式电池热管理系统的强化传热特性研究
这是一篇关于电池热管理系统,混合冷却,组合翅片,相变材料,强化传热的论文, 主要内容为在新能源汽车快速发展的背景下,电池热管理系统应时而生,其主要作用是监视、控制和维护电池使其处于最佳工作温度条件。因此,研究电池热管理系统以确保电池在安全高效的环境中运行,促进电动汽车进一步发展至关重要。本文提出了相变协同液冷的电池热管理系统提高其性能。首先,对初始液冷板进行了仿真及实验验证,然后针对传统方形翅片,利用弧长和弧度的优化方式来进行多变形状和结构尺寸的优化,并结合主次翅片的设计方式进一步优化和提升液冷板的散热性能。同时,耦合分区相变材料的填充方式并协同不同冷却介质强化散热,提升液冷板的均温性并实现轻量化。最后,构建电池组进行热管理研究,以提升电池组的热性能。(1)阐述了锂电池相关的热特性理论,进行温升实验获得相关产热参数。同时,为了验证数值仿真模型的有效性,我们搭建实验平台,通过将模拟仿真数值与实验得到的液冷板入口质量流量分别为0.5 g/s、1.0 g/s、1.5 g/s、2.0 g/s的实验数值进行对比分析,两者的相对误差均小于5%,具有可靠性。(2)在初始液冷板模型的基础上,对其内部翅片结构形式进行了优化分析。通过对10种一次翅片进行优选,并通过考虑翅片大小以及增加二次翅片等方式研究液冷板的传热性能和流动性能,分析了不同结构形式对液冷板传热和压降的影响,以及两者相互作用下综合性能的优劣。(3)为了进一步改善热交换性能,引入相变材料和不同冷却介质以强化传热,从而进一步提高液冷板的整体性能。首先,研究了不同雷诺数下相变材料分区填充方式、相变材料厚度对液冷板性能的影响,得到最优相变材料组合方式A2-B2-C3,最优相变材料厚度H=1.4 mm,此时液冷板的质量减轻了41.4 g(68.86%),然后在此基础上研究了不同雷诺数下冷却介质体积分数、冷却介质种类对液冷板性能的影响,以及综合性能分析。结果表明,3种纳米颗粒所形成的水基纳米流体冷却介质的强化传热效果均高于基础流体水,且与基础流体水相比,努塞尔数的增量可达5%～95%,显著提高了对流换热效果。(4)以最优液冷板模型为基础,构建电池组进行热管理研究。将电池与液冷板的数量固定比例,研究随着其数量等比例的增加,5种不同布置形式的好坏对比以及某种布置方式的变化情况。然后针对最优电池组模型研究了液冷板流向布置方式、放电倍率、冷却液入口温度、入口质量流量和环境温度对电池组性能的影响。
基于风冷和相变材料的快速充电模块热管理性能研究
这是一篇关于充电模块热管理,相变材料,风冷,熔化速率的论文, 主要内容为环境污染的持续加剧已成为紧迫的全球性问题,电动汽车的发展对于推动世界走向更可持续的能源未来至关重要,充电基础设施的发展对实现电动汽车的快速普及起着关键作用。然而提高充电速率会产生巨大热量,容易减小充电桩使用寿命,甚至发生火灾等安全问题。本文提出了相变材料-风冷耦合散热系统,探究了不同充电功率、风冷速度、相变材料性能参数对充电模块的极端温度变化和充电时间的影响规律,确定了实现最佳温控的参数条件,该研究对解决大功率快速充电桩高效温控问题具有重要的理论意义。本文的主要内容和创新如下:首先,根据充电桩结构尺寸参数设计了相变材料-风冷耦合散热的充电模块装置,搭建了实验测试平台。通过功率箱调节实现了不同产热功率输出,基于风扇转速改变实现了空气流速调节,定制不同性能参数相变材料。借助高速摄像机,可视化记录了相变材料熔化过程,通过揭示相变材料熔化过程,进一步阐明了相变材料潜热利用在充电模块散热过程中的传热机理,给出了所有实验测试过程中测试结果的误差分析。其次,实验研究了相变材料-风冷耦合热管理系统对充电模块最高温度变化的影响规律,探究了不同产热功率、空气流速以及相变材料导热系数、熔点温度和填充厚度下的功率模块温升。结果表明,增加产热功率导致了充电模块最高温度上升了69.7℃,耦合相变材料后充电模块温度降低了29.2%。提高空气流速可以减缓温升,耦合相变材料可以降低充电模块最高温度,但进一步减缓温升作用有所削弱。提高相变材料导热系数为5.0 W/(m·K),充电模块最高温度降低了8.2℃。选择相变材料熔点温度为47.5℃,可以实现充电模块最优温控。相变材料填充厚度从3.5 mm增加至5.5 mm,充电模块最高温度降低了4.8%。最后,实验研究了相变材料-风冷耦合热管理系统对大功率快充电源模块充电时间的影响规律,分析了不同产热功率、空气流速、距离、相变材料导热系数、熔点温度和填充厚度对充电时间的影响规律。结果表明,提高产热功率明显降低了充电时间,添加相变材料使得充电时间延长了54%。在较小风速范围内,空气流速增大可以提高模块充电时间,当风速增加至4.5 m/s时,耦合相变材料导致充电时间降低了110秒。增加风冷与热源距离,充电时间降低了190秒。相变材料导热系数从0.2 W/(m·K)提高至5 W/(m·K),充电时间延长了510秒;相变材料熔点温度47.5℃时,充电模块充电时间延长了110秒。与单风冷相比,增加相变材料填充厚度至5.5 mm,充电时间延长了690秒。
相变协同液冷式电池热管理系统的强化传热特性研究
这是一篇关于电池热管理系统,混合冷却,组合翅片,相变材料,强化传热的论文, 主要内容为在新能源汽车快速发展的背景下,电池热管理系统应时而生,其主要作用是监视、控制和维护电池使其处于最佳工作温度条件。因此,研究电池热管理系统以确保电池在安全高效的环境中运行,促进电动汽车进一步发展至关重要。本文提出了相变协同液冷的电池热管理系统提高其性能。首先,对初始液冷板进行了仿真及实验验证,然后针对传统方形翅片,利用弧长和弧度的优化方式来进行多变形状和结构尺寸的优化,并结合主次翅片的设计方式进一步优化和提升液冷板的散热性能。同时,耦合分区相变材料的填充方式并协同不同冷却介质强化散热,提升液冷板的均温性并实现轻量化。最后,构建电池组进行热管理研究,以提升电池组的热性能。(1)阐述了锂电池相关的热特性理论,进行温升实验获得相关产热参数。同时,为了验证数值仿真模型的有效性,我们搭建实验平台,通过将模拟仿真数值与实验得到的液冷板入口质量流量分别为0.5 g/s、1.0 g/s、1.5 g/s、2.0 g/s的实验数值进行对比分析,两者的相对误差均小于5%,具有可靠性。(2)在初始液冷板模型的基础上,对其内部翅片结构形式进行了优化分析。通过对10种一次翅片进行优选,并通过考虑翅片大小以及增加二次翅片等方式研究液冷板的传热性能和流动性能,分析了不同结构形式对液冷板传热和压降的影响,以及两者相互作用下综合性能的优劣。(3)为了进一步改善热交换性能,引入相变材料和不同冷却介质以强化传热,从而进一步提高液冷板的整体性能。首先,研究了不同雷诺数下相变材料分区填充方式、相变材料厚度对液冷板性能的影响,得到最优相变材料组合方式A2-B2-C3,最优相变材料厚度H=1.4 mm,此时液冷板的质量减轻了41.4 g(68.86%),然后在此基础上研究了不同雷诺数下冷却介质体积分数、冷却介质种类对液冷板性能的影响,以及综合性能分析。结果表明,3种纳米颗粒所形成的水基纳米流体冷却介质的强化传热效果均高于基础流体水,且与基础流体水相比,努塞尔数的增量可达5%～95%,显著提高了对流换热效果。(4)以最优液冷板模型为基础,构建电池组进行热管理研究。将电池与液冷板的数量固定比例,研究随着其数量等比例的增加,5种不同布置形式的好坏对比以及某种布置方式的变化情况。然后针对最优电池组模型研究了液冷板流向布置方式、放电倍率、冷却液入口温度、入口质量流量和环境温度对电池组性能的影响。
基于相变材料的电池包传热数值模拟及实验研究
这是一篇关于电池包,热管理,相变材料,数值模拟,参数研究的论文, 主要内容为电池包中的锂离子电池其性能与温度息息相关,只有在合适的温度范围内,电池的性能才能得到充分的利用。此外,还要降低电池模组整体温差,才能保持电池间具有良好的一致性。与传统风冷、液冷不同,本文采用相变材料对电池包进行热管理的研究,结合实验与数值仿真的方法,得到了很好的电池热管理性能。包含以下几部分研究结果:1.对电池单体进行充放电实验,在锂离子电池不同放电倍率工况下,观测18650电池温升情况,计算估测电池放热功率,建立放电电流与电池表面温升之间的关系,为后续的数值仿真分析提供依据。在高倍率9C放电时,只经过了400s左右,电池温度就超过了80℃,此时发热功率约6.9W,充分说明对电池包进行热管理的必要性。2.数值研究了基于相变材料设计电池单体的散热系统,以铝制仿形电池与加热棒模拟电池发热系统,降低研究难度。监测电池壁面温度,发现温升曲线会形成一段温度平台,但平台温度高于相变材料熔点温度9℃以上。在相变材料中添加金属泡沫后,温度平台现象消失,但电池温升速率进一步降低。3.建立小型电池包模型,对电池包温度分布进行仿真研究,有效运用数值仿真效率高的特性,进行大量参数研究。对散热系统多种参数进行了分析比较,发现对电池最终温度影响最大的为相变材料熔点,最小的为相变材料比热容。对电池包散热结构优化分析发现,添加翅片的电池控温效果更好,添加4个翅片后,相对于无翅片情形,最高温度降低超过5℃,然而椭圆翅片与直翅片效果相差不大。4.通过实验,观察电池包散热系统的控温效果,发现使用相变材料有效的降低了电池单体间温差,电池3.2W发热时,整个电池发热过程中,温差最高时只有3.3℃,低于空冷时的5℃,且电池最终温度为44℃远低于空冷时的64℃。比较实验数据与数值结果,发现吻合良好,也验证了前面的电池包数值分析结果的准确性。
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