基于相变的动力电池散热设计与仿真

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新能源汽车是环境污染和能源威胁的有效解决途径之一,作为电动车的主要动力来源,锂离子动力电池性能的好坏、寿命的长短与温度直接相关。电池温度过高会导致容量衰减,寿命缩短,严重时会有热失控引发安全事故风险。电池温度一致性过差也会导致性能降低。通过仿真,本文研究了基于相变的电池热管理系统。本研究基于电动车日常工况设计了一种低成本、轻量化的电池热管理系统。制备了膨胀石墨/石蜡复合相变储能材料,通过数值模拟的方法仿真了实际工况下电池的散热情况,通过四种不同热管理评价工况验证了该热设计的有效性,并研究了放电倍率、相变材料厚度、环境温度的影响。结果表明,该散热系统有优良的散热效果,能够保证总能耗为38.4k Wh的电池组最高温度处于合适的温度范围,温度差也保持在合理范围。0.5mm厚度、总质量1.02kg的相变材料就能使得以1C平均倍率放电的动力电池最高温度不超过45℃,较好地平衡了散热效果与增重的矛盾。同时本研究利用了一种新型的基于线积分的电池一致性评判方法。本研究可以作为日常工况下热管理系统设计和分析的参考。微型多旋翼无人机的发展为锂离子动力电池带来另外一个重要的应用场景。由于无人机起飞、悬停、加速时电池放电倍率极高,电池生热严重,而无人机空间狭小、增重敏感,其电池热管理系统设计是难点。本研究针对某民用四旋翼无人机设计了一种新型被动式电池热管理系统,该系统基于热管的高导热作用和无人机机身的强制对流把电池产生的热量通过低热阻通道疏散到外部环境中,不需要增加任何额外能耗。本研究利用有限元数值仿真手段对热管理系统进行了研究,通过热阻研究验证了该热管理系统可以使得电池最高温度和温度差控制在合理温度区间内,本研究也分析了对流换热系数、放电倍率、机身热导率对系统温控作用的影响。并通过响应面优化的方法以最低的电池最高温度和最小热管理系统质量为双目标进行结构优化,使得在增重32.18g的情况下电池以3C倍率放电时的最高温度控制在36℃以内。
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