锂离子电池液冷散热结构设计及仿真分析

作     者：金劲涛 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孔为

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池热管理 液冷 结构设计 对称流道 

摘      要：与其它电池例如铅酸、镍氢电池相比,锂离子电池具有更高的能量密度和循环寿命,被广泛应用于电动汽车领域。但是,锂离子电池对温度比较敏感,最佳工作温度范围为20～40℃。如果工作温度过高,电池循环寿命急剧缩短,甚至引起剧烈的副反应造成热失控,威胁人车安全。为了确保锂离子电池工作在合适的温度范围内,电池热管理系统成为电动汽车关键的组成部分。近年来,电池热管理系统得到了企业界和学术界的广泛关注,并取得了快速的发展。本文针对目前液冷式电池热管理系统能耗高,冷却效果不佳的情况,提出了对称性流道设计,并对其进行了详细的讨论,本文主要研究内容如下:(1)如何降低最大温度和温差是蛇形流道研究关注的重点,然而却忽略了蛇形流道冷却剂流动路径长、压差大、能耗高的问题。为了解决该问题,本文提出了对称蛇形流道。与传统蛇形流道相比,对称蛇形流道中子流道冷却剂流量小,进而降低了流道压降,提升了电动汽车的续航里程。研究结果表明:蛇形流道出入口压降高达6218Pa,而对称蛇形流道的压降仅为3568 Pa,比蛇形流道的压降降低了42.6%。在温度均匀性方面,对称蛇形流道略优于蛇形流道。(2)对称蛇形流道设计由于冷却剂出入口位于冷却板的两端,冷却剂入口区域,电池温度偏低,而冷却剂出口区域,电池温度偏高,因此电池温差较大。为了解决该问题,本文基于对称蛇形流道,又提出了纵向对称蛇形流道、并联双蛇形流道和并联三蛇形流道,并对比分析不同设计的差异。发现并联双蛇形流道设计电池最大温差最小,并且在电池最大温差相同的条件下,其流道压降也最小。然后采用正交实验法对并联双蛇形流道结构参数进行优化,流道长度(L)、流道宽度(W)和流道高度(H)的最优参数组合是L=25 mm,W=7 mm,H=1.25 mm。(3)大部分文献使用的冷却液的流量在0.4～1 g·s之间,电池最大温度在30～36℃之间。虽然满足电池最大温度和温差要求,但是冷却液流量偏大造成不必要的能源浪费。因此本文重点研究在满足电池最大温度和温差要求的前提下,寻找最小冷却液流量。研究结果表示,在2C放电倍率下,环境温度为25℃,30℃,35℃时,最小冷却剂流量分别为0.002g·s,0.029 g·s和0.11 g·s。