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锂离子电池热管理系统液冷板通道拓扑优化设计研究

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锂离子电池热管理系统液冷板通道拓扑优化设计研究

作者：程正林重庆交通大学

学位级别：硕士

低碳、可持续发展已成为当今世界发展的主题,电动汽车的普及极大地推动了汽车工业向新能源领域转型。锂离子电池作为可回收的充放电电池,以其循环寿命长、功率密度高、自放电率低等优点在电动汽车中得到了广泛的应用。在充放电过程中,... 详细信息

低碳、可持续发展已成为当今世界发展的主题,电动汽车的普及极大地推动了汽车工业向新能源领域转型。锂离子电池作为可回收的充放电电池,以其循环寿命长、功率密度高、自放电率低等优点在电动汽车中得到了广泛的应用。在充放电过程中,锂离子电池由于自身的反应会产生热量,导致电池温度升高,如果不对其温度进行控制,会对电池造成容量下降、热失控等一系列问题。因此,高效的热管理散热结构设计对于保障电池的性能和安全具有重要意义。本文以30 Ah软包方形三元锂离子电池为研究对象,基于变密度的拓扑优化方法,提出一种适合锂离子电池散热的液冷板结构设计方案。主要工作及结论如下:(1)系统介绍了锂离子电池的热特性理论,并进行单体锂离子电池的温升实验,建立了锂离子电池的生热模型,进行不同放电倍率和不同换热系数的数值研究,对比不同放电倍率下仿真与实验结果。结果表明数值仿真结果能够精确的反映锂离子电池实际温度场情况,为后续进行更深入的研究和应用提供了依据。(2)以液冷板的平均温度指标和最小粘性耗散功指标作为多目标优化函数,对不同权重系数下的液冷板进行比较和分析,并得到相应的帕累托前沿,最后研究了不同进出口布置方式的冷板流道最优结构。结果表明不同进出口布置对拓扑结构和性能有很大影响,通过合理设计进出口位置和流道结构,可以进一步提高冷却系统的散热效果和降低外泵的功耗。(3)构建冷板三维数值模型,引入综合性能评价指标对冷板进行了全面的比较和评估,进一步研究了质量流量对拓扑优化冷板和传统直通道冷板的影响,并分析了在两种动态工况下冷板的冷却效果。结果表明左侧中部进口(LM-RM)冷板综合性能最好,其次是左侧顶部进口(LT-RB)冷板,且当流量为5 g/s时,LT-RB的努塞尔数为16.68,与两种传统冷板相比,努塞尔数分别高出48.7%、38.8%,LTRB和LM-RM冷板泵功耗分别降低了35.3%和7.2%,说明拓扑优化冷板在散热和功耗上都有明显的优势。此外LT-RB冷板在NEDC和CLTC-P工况下,均表现出更强的冷却能力。(4)选取拓扑优化冷板和传统直通道冷板作为实验对象,设计并加工冷板样件,搭建液冷板实验平台,并记录不同质量流量下冷板的温度和进出口压降,最后对实验数据进行处理。结果表明努塞尔数和压降相对误差分别为5.95%和5.43%,均在合理误差范围内,实验与仿真结果吻合较好,验证了数值仿真的准确性。

关键词：电池热管理系统锂离子电池电池冷板拓扑优化数值分析

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基于KULI仿真对某电池热管理系统的分析

制冷与空调 2024年第3期24卷 89-94页

作者：郭坤程鹏飞凯迈(洛阳)机电有限公司

利用KULI仿真软件建立了某电池热管理系统仿真模型,该模型中包含了空调制冷系统的压缩机、电池冷却器、冷凝器、膨胀阀、冷凝风扇、管路等零部件,所有零部件模型均基于其现有技术参数、数模尺寸和实测的试验台架数据;模型建立后冷凝器... 详细信息

利用KULI仿真软件建立了某电池热管理系统仿真模型,该模型中包含了空调制冷系统的压缩机、电池冷却器、冷凝器、膨胀阀、冷凝风扇、管路等零部件,所有零部件模型均基于其现有技术参数、数模尺寸和实测的试验台架数据;模型建立后冷凝器和电池冷却器需要进行模型标定,保证仿真数据与台架数据在一定的允差范围内,证明该仿真模型的准确性;最终基于真实零部件数据搭建电池冷却液循环和空调制冷剂循环的耦合仿真模型。模型建立后,便可改变不同的边界条件如环境温度、风扇档位、压缩机转速、冷却液温度等,仿真得出系统的各项性能参数。最终实现研究不同的边界条件对电池热管理系统性能和经济性影响的目的。

关键词：新能源商用车电池热管理系统 KULI仿真

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PA/EG耦合风冷电池热管理系统轻量研究

汽车工程 2023年第2期45卷 209-218,242页

作者：李贵敬谷青锴杨昊鑫黄健齐邸立明燕山大学车辆与能源学院秦皇岛066004

本文提出了一种将复合相变材料(石蜡(PA)混合膨胀石墨(EG))与空冷相耦合的电池热管理方案(简称APE-BTMS),该系统中电池中部采用PA/EG进行冷却,电池的上下端采用空冷(空气流速为1.23 m/s)。APEBTMS的主要目的是,将电池的工作温度冷却到... 详细信息

本文提出了一种将复合相变材料(石蜡(PA)混合膨胀石墨(EG))与空冷相耦合的电池热管理方案(简称APE-BTMS),该系统中电池中部采用PA/EG进行冷却,电池的上下端采用空冷(空气流速为1.23 m/s)。APEBTMS的主要目的是,将电池的工作温度冷却到最佳温度范围的同时,减轻整个电池热管理系统的质量。实验结果表明:APE-BTMS-45模型在相同的条件下展现了最佳的冷却性能;同时,基于COMSOL建立APE-BTMS数值模型,进行更加精细地轴向厚度和不同环境温度下对APE-BTMS冷却性能加以对比,经数值模拟结果进一步验证,APEBTMS-45在对比数据中具有最佳的冷却性能,并可最大轻量216.71 kg。本文的研究结果可为基于相变材料的电池热管理系统的设计开发提供参考和数据支撑。

关键词：锂离子电池复合相变耦合风冷电池热管理系统

电动汽车用柔性复合相变材料的电池热管理系统

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汽车安全与节能学报 2022年第1期13卷 168-175页

作者：陈友鹏张国庆秦启超覃卓庚邓坚李新喜广州南洋理工职业学院广州510925 广东工业大学广州510006

为了提高电动汽车动力电池系统的热安全性及可靠性,使得动力电池系统维持在正常的工作温度范围之内,该文基于柔性复合相变材料的控温特性,采用熔融共混与有机溶剂挥发相结合的方法,制备由苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物/石蜡/膨胀石墨(SB... 详细信息

为了提高电动汽车动力电池系统的热安全性及可靠性,使得动力电池系统维持在正常的工作温度范围之内,该文基于柔性复合相变材料的控温特性,采用熔融共混与有机溶剂挥发相结合的方法,制备由苯乙烯丁二烯苯乙烯嵌段共聚物/石蜡/膨胀石墨(SBS/PA/EG)组成的柔性复合相变材料,并将其与板式热管耦合以显著提高动力电池热管理系统的均温和控温特性。结果表明:柔性复合相变材料(SBS/PA/EG)的导热系数在室温下可提升至0.62 W/(m·K),潜热焓值可达102 J/g。以柔性相变材料耦合板式热管作为电动汽车的电池热管理系统用在电池模组中,当电芯在3 C倍率下放电时,其最高温度控制在42℃之内,电池间温差缩小至1.0℃,显示出优异的控温及均温效果。

关键词：电池热管理系统柔性复合相变材料膨胀石墨(EG) 板式热管

基于MXene/石蜡复合相变材料的锂离子电池热管理系统研究

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基于MXene/石蜡复合相变材料的锂离子电池热管理系统研究

作者：贺春敏南京邮电大学

学位级别：硕士

近年来由锂离子电池热失控引起的电动汽车安全事故频发,因此需要开发一个高效、完整和稳定的电池热管理系统(BTMS)来确保电池在工作期间处于适宜的温度范围安全平稳地运行。基于相变材料的BTMS可以通过吸热和放热过程中的热量变化使系... 详细信息

近年来由锂离子电池热失控引起的电动汽车安全事故频发,因此需要开发一个高效、完整和稳定的电池热管理系统(BTMS)来确保电池在工作期间处于适宜的温度范围安全平稳地运行。基于相变材料的BTMS可以通过吸热和放热过程中的热量变化使系统的温度达到平衡,大大降低电池发生热失控现象的可能性。相变材料(PCM)冷却是BTMS中较为新型的冷却方式,结构简单、冷却效率高、不消耗额外能量、温度平衡性能更好,且PCM冷却耦合主动式冷却方式(本文使用到的是空气冷却和液体冷却)可以应对高密度高功率电池进行充放电行为,因此本来将分别从PCM冷却、PCM冷却耦合空气冷却和PCM冷却耦合液体冷却三方面对方形锂离子电池组模型进行设计和研究。而石蜡作为最常用的相变材料,具有高潜热、低成本、可与大部分金属化学相容等特性,但其热导率很低,会影响电池在相变过程中储存和释放热量的速率。为了弥补这一缺陷,研究人员通过添加石墨烯、膨胀石墨和金属泡沫等材料至石蜡中达到提高复合相变材料(CPCM)热导率的目的,从而提升整个系统的散热性能,但其冷却效率和散热效果还有一定的提升空间。本文针对现存的问题首次提出将MXene与石蜡相变材料进行复合,构建基于MXene/石蜡CPCM、MXene/石蜡CPCM耦合空气冷却BTMS及MXene/石蜡CPCM耦合液体冷却BTMS,并对其散热性能进行研究分析,探讨MXene的质量分数、对流换热系数及系统结构设计等对电池组温度场的影响机制,筛选出散热效果最好、温度均匀性最好的耦合式冷却系统,为相变材料在锂离子电池BTMS的实际应用提供参考思路。在COMSOL Multiphysics软件中,分别将石墨烯、膨胀石墨、MXene、泡沫铝和相变材料石蜡进行复合,结果表明当CPCM为MXene/石蜡时,锂离子电池组最高温度最低且散热性能最佳。MXene的高热导率提高了石蜡基复合相变材料的热导率,增强其吸收和释放热量的能力,可以更快更多地将热量传递至外部环境中,减轻电池组的散热压力。当MXene和石蜡质量分数比为1:1,X轴和Y轴方向的电池间距长度分别为20 mm和10 mm,环境温度和对流换热系数分别控制在34℃和4 W/(m·K)以内,可以使锂离子电池工作在适宜的温度范围内,此时电池组的最高温度最低,最大温差最小,散热效果和温度均匀性最优。由于单一的CPCM热管理方式无法满足高功率密度锂离子电池的充放电行为,所以本文在MXene/石蜡CPCM的基础上耦合空气冷却,构建MXene/石蜡CPCM耦合空气冷却系统,从MXene的质量分数、空冷箱的高度和长度以及空气流速等角度,综合考虑温度特性、成本和能耗等因素,对锂离子电池组的散热系统进行优化设计。考虑到实际应用中电池的用料成本和热管理系统整体的能耗,当MXene的质量分数为50%,空冷箱的高度以及长度分别为608 mm和1154 mm,空气流速为0.1 m/s时,系统的散热性能最佳。将空气冷却与MXene/石蜡CPCM耦合可以加快CPCM的内部散热,减缓CPCM的熔化速度,既可以满足电池的温度要求,还可以利用潜热有效降低BTMS的散热成本,所以将MXene/石蜡CPCM与空气冷却耦合会达到比单一CPCM冷却更好的散热效果。为了获得更优的冷却效率和散热效果,本文构建MXene/石蜡CPCM耦合液体冷却BTMS,分析电池组在充放电过程中的散热特性,探明MXene的质量分数、液体流道的数量、流道半径、液体流速对电池组温度分布的影响机制,研究不同放电倍率下电池组的温度特性,并对基于PCM冷却的不同热管理系统的散热效果进行比较和分析。当MXene质量分数为50%,液体流道数量为6,液体流道半径为3 mm,液体流速小于0.8 m/s时,该系统散热性能最佳,最高温度分别比纯石蜡PCM冷却、MXene/石蜡CPCM冷却和MXene/石蜡CPCM耦合风冷BTMS低21.776、14.255、8.133℃。与空气冷却相比,液体冷却BTMS中液体具有的较高比热容和导热系数的性质会使液体带走热量的能力比空气强,从而可以更多更快地吸收电池产生的热量,效率更高效,因此MXene/石蜡CPCM耦合液冷BTMS获得了优于耦合空冷的散热性能。

关键词：电池热管理系统散热性能 MXene

基于相变温控阀的电池热管理系统参数设计及仿真分析

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基于相变温控阀的电池热管理系统参数设计及仿真分析

作者：周振雨重庆理工大学

学位级别：硕士

随着新能源汽车产业化不断发展,车用动力电池技术在当中发挥着关键作用。其中电池的产热问题通常采用电池热管理方案进行解决,以保障电池充分发挥其使用性能,但通常存在热管理ECU运算负载大、线束布置困难、降温同步性难以保证以及相变... 详细信息

随着新能源汽车产业化不断发展,车用动力电池技术在当中发挥着关键作用。其中电池的产热问题通常采用电池热管理方案进行解决,以保障电池充分发挥其使用性能,但通常存在热管理ECU运算负载大、线束布置困难、降温同步性难以保证以及相变材料潜热散热慢等问题。因此设计一种经济适用的基于热敏相变材料多模组独立温控电池热管理系统意义重大,该系统不仅可以一定程度上缓解热管理ECU运算负载,同时能够通过对相变温控阀优化配置,调节各模组冷却能力,从而提升电池包整体降温同步性。主要研究内容如下:(1)基于本文研究对象为纯电动汽车,其动力电池选型以及成组配置方面需满足整车能量密度需求、动力需求、电压需求以及安全性要求等条件,基于电池包成组方式结合研究目的对电池包换热结构进行设计。(2)基于电池实验数据搭建了电池等效电路模型用于描述电池外特性,通过端电压验证其模型的准确性;对电池生热和传热方式进行分析,以内阻、温度等变量耦合等效电路模型中形成单体电热耦合模型,对比热仿真条件下电池温升结果,确保了单体温度估算模型的精度;基于散热结构构建了电池模组流道温度模型,为搭建电池包电热耦合模型提供了思路,同样对比热仿真条件下模组温度估算结果,说明了电池模组电热耦合模型具有较高的温度估算精度,最后基于此模型分析了电池模组中各单体降温效果及温度分布特点。(3)对新型电池热管理系统各关键部件的参数设计和建模。首先是对电池包需求冷却风量的估计,以指导风机系统选型和启停策略的制定;对关键部件相变温控阀的结构设计以及感温相变材料选择,对感温石蜡的热膨胀特性进行分析以指导温度对应阀杆升程模型的搭建,联合阀口设计方式实现最终的相变温控阀温度-流量控制模型;高效热管传热机构涉及其管壳、工质的选择以及结构的设计,并基于热管传热方式搭建热管传热模型。将各部件耦合组成该新型热管理系统模型,分析了不同工况下各部件的控制效果,对比了相同技术参数相变阀热管理对电池包温度均匀性的控制效果,说明了该热管理系统实现温度均匀性控制的有效性。(4)为保证相同发热特性二次配组后模组间的降温同步性,对该电池热管理系统中相变温控阀相关参数进行优化配置。首先分别针对感温石蜡相变区体膨胀系数、感温石蜡熔点设计了参数约束范围和降温同步性指标,将单参数优化结果用于指导该热管理系统模组间冷却能力的分配,并在恒流和变电流工况下仿真不同发热特性模组的降温同步性优化效果;通过双参数优化,对比了单参数优化方式降温同步性提升效果,说明了采用双参数优化相变温控阀改变模组冷却能力的优越性。

关键词：电池热管理系统电热耦合模型相变温控阀不同发热特性模组降温同步性优化

相变协同液冷式电池热管理系统的强化传热特性研究

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相变协同液冷式电池热管理系统的强化传热特性研究

作者：梁贝贝重庆交通大学

学位级别：硕士

在新能源汽车快速发展的背景下,电池热管理系统应时而生,其主要作用是监视、控制和维护电池使其处于最佳工作温度条件。因此,研究电池热管理系统以确保电池在安全高效的环境中运行,促进电动汽车进一步发展至关重要。本文提出了相变协同... 详细信息

在新能源汽车快速发展的背景下,电池热管理系统应时而生,其主要作用是监视、控制和维护电池使其处于最佳工作温度条件。因此,研究电池热管理系统以确保电池在安全高效的环境中运行,促进电动汽车进一步发展至关重要。本文提出了相变协同液冷的电池热管理系统提高其性能。首先,对初始液冷板进行了仿真及实验验证,然后针对传统方形翅片,利用弧长和弧度的优化方式来进行多变形状和结构尺寸的优化,并结合主次翅片的设计方式进一步优化和提升液冷板的散热性能。同时,耦合分区相变材料的填充方式并协同不同冷却介质强化散热,提升液冷板的均温性并实现轻量化。最后,构建电池组进行热管理研究,以提升电池组的热性能。(1)阐述了锂电池相关的热特性理论,进行温升实验获得相关产热参数。同时,为了验证数值仿真模型的有效性,我们搭建实验平台,通过将模拟仿真数值与实验得到的液冷板入口质量流量分别为0.5 g/s、1.0 g/s、1.5 g/s、2.0 g/s的实验数值进行对比分析,两者的相对误差均小于5%,具有可靠性。(2)在初始液冷板模型的基础上,对其内部翅片结构形式进行了优化分析。通过对10种一次翅片进行优选,并通过考虑翅片大小以及增加二次翅片等方式研究液冷板的传热性能和流动性能,分析了不同结构形式对液冷板传热和压降的影响,以及两者相互作用下综合性能的优劣。(3)为了进一步改善热交换性能,引入相变材料和不同冷却介质以强化传热,从而进一步提高液冷板的整体性能。首先,研究了不同雷诺数下相变材料分区填充方式、相变材料厚度对液冷板性能的影响,得到最优相变材料组合方式A2-B2-C3,最优相变材料厚度H=1.4 mm,此时液冷板的质量减轻了41.4 g(68.86%),然后在此基础上研究了不同雷诺数下冷却介质体积分数、冷却介质种类对液冷板性能的影响,以及综合性能分析。结果表明,3种纳米颗粒所形成的水基纳米流体冷却介质的强化传热效果均高于基础流体水,且与基础流体水相比,努塞尔数的增量可达5%～95%,显著提高了对流换热效果。(4)以最优液冷板模型为基础,构建电池组进行热管理研究。将电池与液冷板的数量固定比例,研究随着其数量等比例的增加,5种不同布置形式的好坏对比以及某种布置方式的变化情况。然后针对最优电池组模型研究了液冷板流向布置方式、放电倍率、冷却液入口温度、入口质量流量和环境温度对电池组性能的影响。

关键词：电池热管理系统混合冷却组合翅片相变材料强化传热

多几何结构的液冷式电池热管理系统优化设计与特性分析

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多几何结构的液冷式电池热管理系统优化设计与特性分析

作者：何延晓重庆交通大学

学位级别：硕士

锂离子电池具有高能量密度、循环寿命长、自放电低、容量高等优点,在动力、消耗、储能等方面应用广泛。当前电动汽车通常使用锂离子电池完成动力存储与供给。然而锂离子电池对存储与运行温度极其敏感,温度过高或过低,均会导致电池容量... 详细信息

锂离子电池具有高能量密度、循环寿命长、自放电低、容量高等优点,在动力、消耗、储能等方面应用广泛。当前电动汽车通常使用锂离子电池完成动力存储与供给。然而锂离子电池对存储与运行温度极其敏感,温度过高或过低,均会导致电池容量和功率损失,严重影响了电池的健康和性能。因此,为了获得最大的电池寿命和电源传输效率,采用高效电池热管理系统(BTMS)调节电池温度于最佳的范围具有重要理论意义和工程应用价值。以液冷式电池热管理系统为研究对象,基于Bernardi产热模型得到电池在各放电倍率下的产热量;而后,基于常见的几何结构,增设分流通道,设计24种不同流道形式液冷板,搭建液冷板温升实验,验证数值仿真模型的可靠性,结合热力学和流体力学研究综合性能最优通道特征;进而,针对最优冷板类型的内部通道结构,开展多目标协同优化、灰色关联分析及弧化优化,并讨论冷却介质种类对优化后液冷板性能影响;最后,针对最优冷板模型与电池组成的液冷式电池组进行特性研究。论文主要研究内容如下:(1)结合锂离子电池工作原理、产热原理、传热原理,并依据Bernardi产热模型搭建单体电池温升实验平台,得到电池在各放电倍率下的产热量,为后续研究建立基础;(2)基于常见的几何结构,增设分流通道,设计24种不同流道形式液冷板,结合热力学和流体力学分析各通道形式液冷板流动性能、传热性能以及综合性能,搭建液冷板散热实验平台,验证数值仿真模型的可靠性;(3)以最优冷板类型中灵敏度较高的结构参数为设计变量,以液冷板的功耗和散热性能为目标函数,对液冷板内部通道结构进行多目标优化分析;基于田口实验设计,结合灰色关联分析和方差分析,开展液冷板内部斜通道参数优化,并对优化后液冷通道进行圆弧化和雷诺数分析;(4)基于纳米流体热物理参数,探讨纯水、纳米流体种类和体积分数对液冷板散热与功耗性能的影响。设计不同的电池组结构布置形式,并对影响电池组性能的因素进行分析。

关键词：电池热管理系统液冷式分流通道多目标优化灰色关联分析

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电动汽车电池热管理系统设计与分析

浙江大学学报（工学版） 2019年第7期53卷 1398-1406,1430页

作者：申明高青王炎张天时吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室吉林长春130022 吉林大学汽车工程学院吉林长春130022

针对高功率、高比能的动力电池散热问题,提出结构紧凑、换热高效的制冷剂直接热传输的电池热管理系统(简称直冷式系统).以整车系统为背景,利用AMESim搭建空调制冷与电池热管理的耦合模型,从系统的温度响应和能耗角度,分析电池组及电池... 详细信息

针对高功率、高比能的动力电池散热问题,提出结构紧凑、换热高效的制冷剂直接热传输的电池热管理系统(简称直冷式系统).以整车系统为背景,利用AMESim搭建空调制冷与电池热管理的耦合模型,从系统的温度响应和能耗角度,分析电池组及电池单体平均温降、温均、系统COP以及?效率.结果表明,直冷式系统具有较快的温度响应特性,在高温高速的稳态和动态工况下都可以对电池进行快速降温,实现了较好的温均性.在针对某一稳定工况进行能耗分析时,得出COP为4.19的较高的系统能效比,但系统的?效率为46.17%,存在进一步提升系统?效率的空间.

关键词：电池热管理系统直冷式 AMESim 温度特性能耗分析