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多箱电池包直冷热管理系统的实验研究

制冷学报 2024年

作者：李鑫盛贾腾赵耀姜山代彦军上海交通大学中英国际低碳学院太阳能发电及制冷教育部工程研究中心上海交通大学制冷与低温工程研究所

随着锂离子电池功率密度不断提高以及高功率快充技术的发展，电池热管理系统的设计已成为研究的重点和难点。基于吹胀式冷板构建了一种多箱电池包直冷热管理系统，并对系统在不同运行工况下的性能表现进行了实验研究。实验结果表明：在0... 详细信息

随着锂离子电池功率密度不断提高以及高功率快充技术的发展，电池热管理系统的设计已成为研究的重点和难点。基于吹胀式冷板构建了一种多箱电池包直冷热管理系统，并对系统在不同运行工况下的性能表现进行了实验研究。实验结果表明：在0.5 C倍率充电工况下，压缩机转速为2 400 r/min时，系统的平均性能系数(COP)可达到5.83，冷板的最大无量纲压力损失系数为6.27%，冷板间最大温差为1.90℃。冷板间的温差随着压缩机转速升高和冷板热载荷的增加而增大，冷板间最大温差为3.99℃。系统COP随着压缩机转速的升高而降低，系统COP最高可达7.41。

关键词：热管理系统直冷多箱电池包性能系数

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扰流结构对电池热管理系统的传热特性研究

储能科学与技术 2024年

作者：钱亨刘剑霍玉雷浙江水利水电学院浙江杭可科技股份有限公司浙江城建煤气热电设计院股份有限公司

为解决锂离子电池充放电设备内电池组热管理系统的热特性需求，通过构建多通道电池组热管理系统扰流结构物理模型，结合单体电池实测参数进行热模型验证。基于有限体积法进行数值仿真研究，对无扰流及不同扰流结构分别进行数值模拟计算... 详细信息

为解决锂离子电池充放电设备内电池组热管理系统的热特性需求，通过构建多通道电池组热管理系统扰流结构物理模型，结合单体电池实测参数进行热模型验证。基于有限体积法进行数值仿真研究，对无扰流及不同扰流结构分别进行数值模拟计算，采用努塞尔数和范宁摩擦系数分别表征电池组系统传热与流动特性，分析了扰流结构角度、扰流结构长度及扰流结构排列方式对电池组热管理系统传热与流动特性的影响。结果表明：扰流结构能够提升流场的湍流强度，提高电池表面的对流换热效率，增加系统的压差；增加扰流结构角度，电池组最高温度及最大温差先增大后减小，而增加扰流结构长度，电池组最高温度及最大温差则先减小后增大，当扰流结构角度为45°、扰流结构长度为15 mm时，系统的热特性表现最佳；当扰流结构角度与长度固定时，不同扰流结构排列方式对系统热特性影响较小，但均明显优于无扰流状态。以上研究成果为锂离子电池充放电设备中多通道电池组的热管理系统设计提供参考和依据。

关键词：锂离子电池热管理系统扰流结构传热风冷

基于APSO-BP-PID控制的质子交换膜燃料电池热管理系统温度控制

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吉林大学学报(工学版) 2024年

作者：商蕾杨萍杨祥国潘建欣杨军张梦如武汉理工大学交通与物流工程学院武汉氢能与燃料电池产业技术研究院有限公司技术研发中心武汉理工大学船海与能源动力工程学院

针对质子交换膜燃料电池热管理系统存在响应速度慢、系统振荡、温度波动大及强耦合性等问题，本文提出了一种冷却液流量跟随电流控制，基于自适应粒子群算法优化神经网络的PID控制策略，并在Matlab/Simulink平台搭建燃料电池堆功率为12... 详细信息

针对质子交换膜燃料电池热管理系统存在响应速度慢、系统振荡、温度波动大及强耦合性等问题，本文提出了一种冷却液流量跟随电流控制，基于自适应粒子群算法优化神经网络的PID控制策略，并在Matlab/Simulink平台搭建燃料电池堆功率为125kW质子交换膜燃料电池热管理系统，用于分析各零部件之间的流量分配和热量交换，在不同工况下与神经网络优化的PID控制策略和传统PID控制策略进行对比。仿真结果表明：在不同工况下，本文提出的控制策略能实现散热风扇和循环水泵的解耦；在阶跃信号测试下，实现循环水泵流量跟随电流快速响应；在动态性能测试下，实现无超调且在30s内稳定，减小系统的振荡量，减轻燃料电池堆进出口冷却液温差和燃料电池堆电压的波动程度。结果说明该控制策略具有良好的控制性能。

关键词：动力机械工程燃料电池神经网络热管理系统控制策略

基于相变材料与液冷的锂离子电池复合热管理系统研究

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电气工程学报 2024年

作者：黄司露陈昊师欣媛刘家豪上海海事大学海洋科学与工程学院

为了有效解决电动汽车锂离子电池在工作中温度过高的问题，采用Fluent数值模拟方法，以18650锂离子电池为研究对象，设计了一种相变材料(Phase change materials,PCM)与单腔式圆筒状冷板相结合的热管理系统，研究了PCM厚度、冷却液流速... 详细信息

为了有效解决电动汽车锂离子电池在工作中温度过高的问题，采用Fluent数值模拟方法，以18650锂离子电池为研究对象，设计了一种相变材料(Phase change materials,PCM)与单腔式圆筒状冷板相结合的热管理系统，研究了PCM厚度、冷却液流速及进出口位置三个因素对系统冷却效率的影响。结果显示，添加液冷后的热管理系统可以有效降低高放电倍率下电池的表面温度及温差。在此基础上继续研究PCM厚度的影响，发现PCM厚度越大，相变时间越长，温度上升速率越低。对于液冷部分的流速来说，在0～2 mm/s的范围内，电池表面最高温度下降了约16.79 K，但是当流速超过2 mm/s后，冷却效果达到饱和状态。此外，不同进出口位置会带来不同冷却效果，异侧下进上出可以提供更低的最高温度及最好的温度均匀性。上述发现验证了PCM与单腔式圆筒状冷板结合的有效性，也为强化系统的传热设计提供了新见解。

关键词：热管理系统相变材料液冷数值模拟

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锂离子电池液冷热管理系统研究进展

消防科学与技术 2024年第5期43卷 620-625页

作者：王圣李新蒋维李锦焙广东电网有限责任公司佛山供电局广东佛山528000

锂离子电池由于具有优良的电化学特性,在电动汽车及储能等领域得到了广泛的应用,但是其工作性能及安全性受温度的影响较大,因此,需要采用合理有效的热管理系统,以确保电池的温度维持在适宜范围内。本文归纳了常见的热管理系统,总结了风... 详细信息

锂离子电池由于具有优良的电化学特性,在电动汽车及储能等领域得到了广泛的应用,但是其工作性能及安全性受温度的影响较大,因此,需要采用合理有效的热管理系统,以确保电池的温度维持在适宜范围内。本文归纳了常见的热管理系统,总结了风冷、相变材料冷却、热管冷却和液冷的研究现状及优缺点,重点从直接接触液冷和间接接触液冷两方面介绍了当前液冷技术的优化方式。对于单一热管理系统存在的局限性,从耦合热管理系统角度分析了液冷与其他方式相结合的热管理系统的研究现状。提出液冷热管理系统应向综合优化、智能管控的方向发展,特别是与被动散热方式的耦合以及电池管理系统的匹配连接。

关键词：锂离子电池液冷热管理系统优化

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质子交换膜燃料电池热管理系统控制策略研究

质子交换膜燃料电池热管理系统控制策略研究

作者：朱祥昆吉林大学

学位级别：硕士

在“双碳”目标的大背景下,发展新能源是大势所趋,质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高能量密度、无污染、低噪音、高效率等优点受到广泛关注。PEMFC在合适的温度区间才能安全高效运行,安全有效的热管理系统及控制策略对PEMFC至关重要。本... 详细信息

在“双碳”目标的大背景下,发展新能源是大势所趋,质子交换膜燃料电池(PEMFC)以其高能量密度、无污染、低噪音、高效率等优点受到广泛关注。PEMFC在合适的温度区间才能安全高效运行,安全有效的热管理系统及控制策略对PEMFC至关重要。本文针对80kW PEMFC研究了热管理系统及其控制策略,为未来热管理系统控制策略优化提供参考。首先建立PEMFC输出电压半经验模型和智能模型并验证有效性。采用Simulink建立PEMFC输出电压半经验模型,建立的半经验模型仿真结果与试验结果相比最大误差为2.23%,平均误差为0.3%。通过Nelder-Mead优化算法对电堆阴极损失系数进行智能寻优建立智能模型,电堆智能模型的输出电压仿真结果与台架试验结果相比平均误差为0.7%,最大误差为3.3%,通过试验数据验证了模型的有效性。根据建立的电压模型,考虑水蒸发影响,建立电堆产热模型和热管理系统模型并验证有效性。首先根据80kW电堆散热需求对水泵与风扇进行选型,设计PEMFC热管理系统,基于CRUISE-M搭建PEMFC热管理系统模型。在模糊PID控制下,电堆冷却液进出口温度试验和仿真的平均误差分别为0.47%和0.28%;PID控制下电堆冷却液进出口温度试验和仿真的平均误差分别为0.68%和0.46%,结果表明搭建的热管理系统模型是有效的。针对传统控制策略对水泵、风扇控制的强耦合问题,设计解耦控制策略,对比分析风扇侧PID和模糊-PID的控制效果。首先根据PEMFC热管理系统的温度控制需求,水泵采用电流跟随控制,通过出口水温控制风扇,对水泵与风扇控制进行一定程度解耦。然后针对传统PID控制动态工况适应差,响应时间慢,超调量大等问题,通过模糊控制在线整定PID参数,采用模糊-PID对风扇进行控制,在32A、64A、96A阶跃电流及NEDC工况下,对比分析风扇在PID控制及模糊PID控制下的控制效果,结果表明在模糊PID控制下电堆冷却液出口温度调节时间更短,最大超调量和平均超调量更小。搭建80kW PEMFC系统台架,并将设计的控制策略上机试验分析效果。搭建PEMFC热管理系统测试台架,采用Simulink实现设计的控制策略,通过CAN适配器刷写到FCU中。根据台架测试的PEMFC进出口水温情况分析热管理系统响应特性,并对控制策略进行优化;对比分析风扇在不同PID控制下的控制效果,结果发现采用增量式PID控制风扇更为合适。在此基础上设计了模糊PID控制策略控制风扇,并针对80kW大功率PEMFC在不同功率运行下的产热特性,将电堆输出功率大小分为小中大三个区间,电堆运行时根据输出功率所在区间分别启动2、4、6个风扇对电堆散热。通过分析台架试验结果验证了本文所提出的解耦控制策略以及模糊PID控制策略的优越性。根据建立的智能模型,采用CRUISE-M搭建PEMFC系统模型。在200A及250A的电堆输出电流工况下,通过Nelder-Mead优化算法寻找最优的阴极进气压力和化学计量比对PEMFC系统效率进行优化。

关键词：质子交换膜燃料电池热管理系统温度解耦策略控制策略优化

质子交换膜燃料电池性能优化及热管理系统控制策略研究

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质子交换膜燃料电池性能优化及热管理系统控制策略研究

作者：王韶阳重庆理工大学

学位级别：硕士

随着全球对环保与可持续发展的关注度不断提升,新能源汽车已成为汽车产业的重要发展潮流。在这一背景下,氢燃料电池汽车凭借其零排放、高效能的显著优势,正逐步在新能源汽车领域崭露头角,成为备受关注的热门选择。而作为氢能源汽车核心... 详细信息

随着全球对环保与可持续发展的关注度不断提升,新能源汽车已成为汽车产业的重要发展潮流。在这一背景下,氢燃料电池汽车凭借其零排放、高效能的显著优势,正逐步在新能源汽车领域崭露头角,成为备受关注的热门选择。而作为氢能源汽车核心组件之一的质子交换膜燃料电池,也已成为当前众多学者的研究热点之一。质子交换膜燃料电池具有快速启动、高效率、高能量密度、无污染排放等优点,被广泛应用于轻型交通工具、便携式电子设备和住宅能源系统等领域。在燃料电池的开发流程中,燃料电池的性能优化和热管理系统控制是整个流程中较为关键的两个步骤,首先,通过对燃料电池的性能优化,可以提高燃料电池的发电效率,降低运行成本,还能延长燃料电池的使用寿命,提高其稳定性和可靠性;而对燃料电池热管理系统的控制策略研究,可以实现对燃料电池温度的精准控制,确保燃料电池在最佳的工作温度下运行。这不仅可以提高燃料电池的性能和效率,还能避免安全事故的发生,确保燃料电池系统的安全稳定运行。本文以质子交换膜燃料电池为研究对象,通过试验与仿真相结合的方法进行燃料电池的性能优化及热管理系统控制策略研究,旨在详细分析燃料电池的各个运行条件对燃料电池性能的影响规律,并对比分析不同热管理系统控制策略的控制效果,为燃料电池的性能优化及热管理系统控制提供参考。本文的主要研究内容包括:(1)首先对燃料电池单电池性能进行了测试,并对氢气和空气的过量系数、进气压力、相对湿度以及冷却液温度进行敏感性测试及分析。发现增大过量系数及压力均可提升燃料电池的节电压,但在不同的工况点,控制条件的变化对节电压的影响程度不同。此外,随着电流密度的增加,过量系数对节电压的影响程度逐渐增强;而进气压力每增加或减少5k Pa,节电压上升或下降2m V左右;冷却液温度及进气的相对湿度对燃料电池性能的影响并不是线性的,当氢气和空气的相对湿度在80%时,节电压普遍较高;而冷却液温度在不同的电流密度点,升高或降低温度均会对燃料电池性能产生较大影响。(2)对同款单电池组成的燃料电池电堆进行性能测试,然后利用GT-Suite搭建了燃料电池系统性能仿真分析模型,并与燃料电池电堆性能测试进行了对比分析,试验结果和模拟结果一致性较好。基于GT-Suite燃料电池系统性能仿真分析模型,通过DOE(Design of Experiments,试验设计)试验来探究了氢气压力,空气压力,冷却液温度,空气相对湿度等影响因素对燃料电池输出性能的影响规律及相对敏感性。仿真结果显示,冷却液温度和空气压力对燃料电池输出性能的影响较大,空气相对湿度次之,氢气压力对燃料电池输出性能的影响最小,且随着电流密度的增大,冷却液温度的对燃料电池输出性能的相对敏感度逐渐增大,而空气压力对燃料电池输出性能的相对敏感度逐渐减小,且冷却液温度对燃料电池输出性能的相对敏感度逐渐大于空气压力。(3)基于DOE试验方法优化冷却液温度及空气进气湿度来提升燃料电池的性能。优化结果显示,随着电流密度的增加,燃料电池冷却液的最佳运行温度逐渐升高,最佳的空气相对湿度逐渐减小,冷却液最佳温度范围在70-90℃之间,而最佳的空气相对湿度从80%逐渐下降至30%左右。(4)使用GT-Suite搭建了燃料电池热管理系统模型,并使用MATLAB/Simulink搭建了燃料电池热管理系统控制策略模型,与GT-Suite进行联合仿真。对比分析了PID、模糊PID两种控制策略对电堆冷却液的入口温度及出入口温差的控制效果,结果显示,模糊PID控制策略要比传统PID动态响应更快,超调量也更小,更适合应用于燃料电池热管理系统的温度控制。本研究系统的完成了质子交换膜燃料电池性能优化及热管理系统控制策略研究,从单电池敏感性测试、电堆性能测试、性能仿真建模及验证、DOE试验及优化、热管理系统建模及控制策略等方面完成研究课题,为燃料电池性能优化及热管理控制策略研究提供了一定的参考。

关键词：质子交换膜燃料电池性能测试仿真分析敏感性分析 DOE优化热管理系统控制策略

矿山电动车辆热管理系统仿真设计与智能温控系统研究

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矿山电动车辆热管理系统仿真设计与智能温控系统研究

作者：游博烟台大学

学位级别：硕士

电动车辆热管理系统是电动车辆的关键组成部分,负责控制关键部件的工作温度,其性能关系到电动车辆的可靠性以及安全性。当前我国矿山车辆电动化已成为了发展趋势,针对矿山电动车辆热管理系统展开深入研究,结合仿真设计与智能温控技术进... 详细信息

电动车辆热管理系统是电动车辆的关键组成部分,负责控制关键部件的工作温度,其性能关系到电动车辆的可靠性以及安全性。当前我国矿山车辆电动化已成为了发展趋势,针对矿山电动车辆热管理系统展开深入研究,结合仿真设计与智能温控技术进行优化升级,具有突出的现实意义以及学术层面的重要价值。本文针对矿山电动车辆热管理系统方案以及智能温控系统设计研究开展了以下工作:制定了电动铲运机整车热管理系统方案,并对其中关键部件进行了匹配计算。基于制定的方案设计了相应的控制策略,并搭建了各子系统的联合仿真模型。在不同工况条件下进行了联合仿真,验证了控制策略的可行性。通过实车试验结果与联合仿真结果的对比分析,得出制定的整车热管系统方案以及控制策略满足设计要求。提出了基于无模型自适应控制(Model Free Adaptive Control,MFAC)的驾驶室空调系统温控优化方法。通过联合仿真方式,对比比例积分微分(PID)控制、模糊PID控制和MFAC控制对驾驶空调系统的控制效果。通过联合仿真结果对比分析,得到了采用无模型自适应控制器的空调系统温控效果最优。设计了基于热管理系统控制策略的电动铲运机智能温控系统。明确了智能温控系统的整体架构,对控制器选型并进行了I/O端口配置,针对智能温控系统进行了相关电气设计,采用CODESYS软件开发平台对智能温控系统进行了软件设计。通过软件开发平台对智能温控系统关键控制程序进行了在线仿真,结合相关联合仿真结果与关键程序的在线仿真结果进行了对比分析,得出设计的核心控制程序可靠。开发了基于智能温控系统的人机交互系统。明确了人机交互系统整体架构,对显示器进行了选型,针对人机交互系统进行了软件设计,通过对人机交互显示界面以及相关控制程序进行了在线仿真,分析在线仿真结果得出设计的智能温控系统人机交互系统各功能显示界面能正常运行,满足设计要求。通过对矿山电动车辆热管理系统的仿真设计和智能温控系统的研究表明,设计的热管理系统方案、控制策略以及智能温控系统能够有效控制车辆工作时关键部件的温度,人机交互系统也能够有效监控系统的温控信息,整体设计满足设计要求。

关键词：矿山电动车辆热管理系统无模型自适应控制智能温控系统

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风冷燃料电池热管理系统建模及温度跟踪控制

风冷燃料电池热管理系统建模及温度跟踪控制

作者：张代鑫重庆理工大学

学位级别：硕士

氢燃料电池技术被认为是一种高效、清洁的能源转化方式。在推动燃料电池技术发展的过程中,燃料电池热管理成为一个不可忽视的关键问题。一方面,燃料电池工作时产生的热量可能会导致系统过热,从而降低效率并缩短系统寿命。另一方面,低温... 详细信息

氢燃料电池技术被认为是一种高效、清洁的能源转化方式。在推动燃料电池技术发展的过程中,燃料电池热管理成为一个不可忽视的关键问题。一方面,燃料电池工作时产生的热量可能会导致系统过热,从而降低效率并缩短系统寿命。另一方面,低温下燃料电池的反应速率可能下降,影响系统输出功率。因此,本研究以小功率风冷型燃料电池为研究对象,开展其热管理系统建模、温度跟踪控制,以及相应的仿真和实验研究,主要内容如下:(1)搭建风冷燃料电池热管理系统的数学模型。分析燃料电池的输出特性以及产热和散热的原理,介绍实验使用的燃料电池参数,建立电压模型和温度模型,选取三种仿真工况对模型进行稳态分析,并通过硬件测试验证模型温度动态和输出特性的准确性。(2)设计线性模型预测控制器。首先,介绍模型预测控制算法的原理和特点。然后选取平衡点工况将温度动态方程在平衡点处进行线性化处理,并验证线性模型在平衡点工况下的动态特性和模型精度,同时将线性模型进行离散化处理。最后,设计温度跟踪算法,以温度跟踪精度和抑制冷却风扇PWM波动为目标,并对温度跟踪权重Q和PWM波动权重R进行优化。(3)对模型和算法进行硬件在环测试。将设计的控制器算法进行代码生成,转换成C语言代码并烧录进STM32单片机中作为控制器,使用所搭建的仿真模型作为测试对象进行硬件在环测试。(4)搭建实验平台对算法进行验证。通过改变参考温度和负载电流设计七种不同的工况,在七种不同的工况下运行燃料电池,通过控制器进行温度跟踪控制,结果表明在平衡点附近工况下温度跟踪控制效果较好,平均误差仅为0.33℃,而在远离平衡点的工况下跟踪误差随着偏离平衡点的程度逐渐增大,主要体现于工况三和工况六,平均误差分别为3.46℃和3.34℃,一方面原因是线性模型与非线性模型失配,另一方面原因是电堆产热功率过大,风扇满负荷工作情况下依旧无法满足温度跟踪需求。实验结果说明本文所建风冷燃料电池热管理模型是准确的,控制算法是有效的。

关键词：风冷质子交换膜燃料电池热管理系统模型预测控制