基于螺旋缠绕式热管的锂离子电池热管理研究

作     者：曾凡开 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄兴元;周坚

授予年度：2024年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：锂离子电池 热管理系统 热管 仿真分析 正交试验 

摘      要：随着电池、电机、电控技术的进步及新能源汽车市场迅速增长,动力电池,尤其是锂离子电池,因其优良性能成为研究焦点,并广泛应用于新能源汽车。但如果缺乏有效的散热措施,电池在使用中产生的热量无法及时排出,会导致性能下降、寿命缩短,甚至发生自燃爆炸事故。因此,开发有效的电池热管理系统对提升电池性能、推动新能源汽车发展和确保乘客安全至关重要。热管由于其传热高效、可靠性高、可适用范围广等特点,已在电子设备、航天航空、新能源汽车电池热管理系统中得到了广泛应用。热管结构尺寸对电池热管理性能具有直接的影响,本课题为提升电池耦合热管的散热效果,提出一种基于螺旋缠绕式热管冷却的圆柱形电池热管理系统,并对其结构参数进行探究与优化。 首先,本文对单体电池的产热及传热特性进行理论分析,建立单体电池热模型,结合混合脉冲功率特性阶跃实验得到单体电池不同放电倍率下的产热率,并通过单体电池放电实验验证所建模型的可靠性。进而提出一种螺旋缠绕式热管冷却的圆柱形电池热管理系统,并基于单体电池热管模型,构建电池-热管耦合模型对电池模组进行仿真分析,得到电池模组的温度分布云图、最高温度、最大温差等重要数据结果。 其次,对比分析采用螺旋缠绕式热管前后电池模组的热管理情况,结果表明,螺旋缠绕式热管可显著提升电池模组散热效果。并进一步分析螺旋缠绕式热管冷凝段自然对流、气体强制对流以及液体强制对流对电池温度的影响,得到热管冷凝段采用液体强制对流时冷却效果更好,冷却效果随流速的增加而提高,但增加到一定程度后对冷却效果的影响较小。 最后,探究了热管蒸发段螺旋间距、冷凝段长度、热管厚度、热管宽度等参数对热管换热性能的影响。并通过正交试验明确热管蒸发段螺旋间距对电池温度的影响最为显著,其次是冷凝段长度,热管厚度和宽度对电池温度的影响较小。当蒸发段螺旋间距为22mm、冷凝段长度为40mm、热管厚度为3mm、热管宽度为7mm时,可在3C倍率放电时将电池模组的温升控制在50.40%,将最大温差降低67.88%,具有更加显著的热管理效果。