电动汽车锂离子电池液体冷却机理研究

作     者：安小康 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘焕玲

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：锂离子电池 U型冷板 温度场 电池组 纳米流体 

摘      要：石油、煤等能源的日益减少和环境污染的加剧促进了电动汽车的发展,锂离子电池现今是电动汽车的优选动力电池。而锂离子电池在工作期间会产生大量的热,对其进行热管理已成为电池是否能广泛应用的瓶颈问题。本文针对锂离子电池,采用冷板液冷的散热方式,用Fluent 15.0对冷板的冷却性能进行了分析,并且分析了锂离子电池单体和电池组在多种工况下的温度分布以及温升情况。本文的主要工作内容如下:对锂离子电池的结构组成、化学反应原理以及产热机理进行了讨论,为后续的数学建模和仿真计算提供了理论基础。依据传热学基础和电池的传热机理,建立锂离子电池的热效应模型,针对软包装电池,计算了仿真所需的热物性参数,利用Bernardi生热理论建立了锂离子电池的生热速率模型,计算了锂离子电池中心区域的生热速率。开展散热结构设计,提出了一种U型冷板模型,并建立了电池和冷板的散热模型,对冷板的冷却性能以及电池的温度特性进行了数值计算。分析了冷板数目、冷板长度、冷却液流动方向、入口质量流量、放电倍率对电池温度分布的影响。结果表明,4-1号冷板的冷却效果最好,而且冷板长度为57mm时电池的温升最小。通过对八种液体流动方向进行分析,得出采用第四种方式时,电池的最高温度最低,而后三种流动方式可以有效减小电池的温差。电池在1C放电时,入口质量流量为0.2×10kg/s时就可以使电池达到温度要求;3C放电时,入口质量流量要大于1×10kg/s,才能使电池的最高温度低于40℃;5C放电时,入口质量流量不能少于1.4×10kg/s。在U型冷板的基础上提出双U型通道结构,给冷板底面加载面热源,分析了双U的布置、通道的结构参数以及变截面流道对受热面温度分布的影响。结果表明,将中间的小U逆时针旋转180就可以使受热面温度降低2.02℃,温差降低1.11℃。当流道的参数值满足l=16mm,l=4mm,l=2mm,l=21mm,l=7mm,l=8mm时,冷板的换热及均温性能都最好。增加入口段的截面宽度可以提高换热性能,并且满足第一个横向段的截面宽度大于第三个横向段、入口段的截面宽度大于出口段的截面宽度两个原则时,冷板的换热效果最好。最后,建立了电池和双U型通道的散热模型,分析得出双U型通道的换热效果比U型通道的效果好。最后,对由5个单电池组成的电池组进行温度场分析,冷却模型选用第三章提出的4-1号U型冷板,分析了冷却介质(纳米流体和水)、入口速度以及冷板布置方式对换热情况的影响,得出纳米流体的换热效果要好,增加入口速度可以有效降低电池的温升,而且冷板采用叉排的布置方式时,电池的温升更小并且温度均匀性更好。