基于高效相变传热元件的动力电池集成式热管理技术研究

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动力电池作为电动汽车的核心部件,其性能直接影响着电动汽车的可靠性和安全性。温度对电池性能及寿命有着较大影响,过高或过低温度都会导致电池性能衰减甚至破坏失效,因此有必要设计开发安全高效的动力电池热管理系统。针对小型与大型动力电池模组存在的热管理问题,本文分别提出了基于超薄均热板和基于三维热管阵列的动力电池集成式热管理技术,并研究分析其与不同散热方式结合的热管理效果。本文首先设计并制造了厚度为0.8 mm的超薄均热板,提出内部烧结铜粉-丝网的复合吸液芯结构并进行亲水性优化和毛细性能表征。此外针对于商用电池模组的外形尺寸设计了三维热管阵列并进行一体化焊接成型。为解决动力电池包内部远距离传热问题,设计制造了三种不同的长距离热管拼接方式。针对于动力电池的使用工况,本文测试了高效相变传热元件的传热性能。结果表明具有复合吸液芯结构的均热板能实现快速启动,在80 W加热功率下表面热阻为0.05℃/W,并且在底部冷却方式下表现出更好的逆重力传热稳定性。三维热管阵列在逆重力传热性能测试中表现出较好的均温效果,在100 W加热功率下表面热阻为0.033℃/W。最后对拼接热管传热性能进行分析,确定折弯拼接方式的均温效果最佳。面向于小型动力电池,本文研究基于超薄均热板与水冷复合的动力电池集成式热管理系统在不同放电倍率以及循环充放电条件下的散热效果。实验结果表明超薄均热板的加入使电池表面在3C放电倍率条件下最大温度降幅达到16.2℃,并且温差保持在5℃以内。此外,电池模组的集成式热管理结构能在循环充放电过程中有效减小内部温度聚集现象,并且在低温条件下提高电池表面的升温速率。面向于大型动力电池模组,本文研究了基于三维热管阵列的动力电池热管理系统分别在复合风冷、水冷和热电制冷散热方式下的表面温升及温差情况。热管阵列复合水冷散热方式具有最佳的温度均匀性,最高表面温差为3.6℃;制冷片复合水冷散热方式具有最佳的散热效率,电极最高温度为36.7℃。基于折弯拼接方式的热管阵列能将电池包内热量快速传递至外部进行散热,但是拼接处热阻导致模组间的温差扩大。
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