基于相变材料结合三维肋管换热器的锂离子电池热管理技术研究

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作为新能源汽车及储能行业中的核心部件,锂离子电池的使用量及能量密度不断提升,产热量不断增大,使用环境也更加多样化复杂化。锂离子电池的散热过程是否快速、温度均匀性是否达标,都会对锂离子电池的寿命、运行效率和安全产生很大的影响。因此,非常有必要对锂离子电池进行热管理。与传统的空冷、液冷热管理方法相比,使用相变材料热管理具有恒温吸热、均温性好的特点,但相变材料的热管理受质量限制、导热能力差,因此,需要将相变材料与其他冷却方式有效结合,增强相变材料导热能力,实现热管理系统持续稳定高效运行。本文以40 AH方形三元锂离子电池为研究对象,设计了一种相变材料与三维肋管换热器结合的热管理装置,使用肋结构强化相变材料导热性能并结合液冷实现热管理系统持续运行。(1)首先进行了不同放电倍率下锂离子电池以及相对应发热功率下加热板的发热特性实验,对比证明了加热板代替电池进行热管理实验的可行性,然后对不同方法的热管理性能进行了对比实验,发现相变材料结合三维肋管的热管理性能更好。进而开展基于相变材料结合不同肋结构参数三维肋管的热管理实验,通过实验研究不同肋高、肋宽、轴向间距和周向间距参数的三维肋管结合相变材料对电池热管理性能的影响。结果表明:热管理性能主要受三维肋管换热面积和电池与肋之间距离的影响;随肋高增大,热管理性能增强,相变材料熔化速率增大;随肋宽增大,热管理性能先减小后增大;随轴向间距的增大,热管理性能下降;随周向间距增大,热管理性能减小。(2)开展了不同熔化状态相变材料结合三维肋管的热管理实验,研究不同熔化状态相变材料结合三维肋管的传热能力。结果表明:液相率大于0.5后,热管理装置传热能力最强。之后建立基于相变材料结合三维肋管传热的热管理模型,开展不同肋高参数三维肋管结合相变材料的相变换热数值模拟实验,对相变换热过程中不同肋高下相变材料的温度分布、熔化速率和固液分布进行数值模拟计算。结果表明:当肋高为4 mm时,所有位置的相变材料都保持较高熔化速率熔化,这说明三维肋管的肋结构可以有效强化相变材料的导热性能。(3)针对该热管理装置对包含多块电池的电池组进行热管理,开展了不同工况下电池组的热管理数值模拟,研究了不同电池数目、不同发热功率及不同相变温度下相变材料的温度分布、液相率变化和固液分布。同时开展了相变材料不同液相率时进行冷却的数值模拟研究。结果表明:在液相率大于0.75后通入冷却水,液相率小于0.25后关闭冷却水,其冷却效果最佳。使用该热管理装置对电池组进行热管理后,针对3 C工况持续放电,可以长期使电池温度保持在42.8~44.8℃之间,最大温差小于3℃,这说明相变材料结合三维肋管的热管理装置能够满足锂离子电池组的热管理使用要求。
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