液冷板在700Wh锂离子电池组热管理中的应用与优化研究

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锂离子电池具有使用寿命长、自放电率低、能量密度高等优点,因此在新能源电动汽车上得到了广泛的应用。然而,锂离子电池的性能对温度非常敏感,已经被证明其最佳工作温度范围是20~40℃,模组内部温差应控制在5℃以下。因此,开发有效的电池热管理系统来控制锂电池组的温度已经成为学术界和工业界的共识,其中基于液冷板的电池热管理系统逐渐在市场中成为主流。然而,现有针对液冷板的优化研究主要是研究各因素对冷却性能的影响,却没有揭露各因素之间的最优组合;液冷板在较大锂离子电池组热管理系统中的应用研究较少;系统且简易的优化方法在目前的研究进展中有待完善。因此,本文以700 Wh锂离子电池组为研究对象,围绕以上研究空缺对基于液冷板的热管理系统开展优化研究。本文在设计基于液冷板的700 Wh锂离子电池组液冷热管理系统时,考虑到了锂离子电池的不同外形(圆柱形和方形),分别为两种700 Wh锂离子电池模组设计出了相配套的液冷板。通过数值模拟的手段,从结构简易和节能省材的角度出发,对液冷板的结构及液冷系统进行优化,最后探索出较合适的液冷板结构及液冷系统。所设计的基于液冷板的700 Wh锂离子电池组热管理系统结构紧凑且装配方便,提升了动力电池系统的能量密度、改善了动力电池系统的维修难度,对实际生产具有较大的工程价值。主要研究内容如下:从锂离子电池的工作原理和产热原理出发,总结了锂离子动力电池的产热方程和传热方程。通过实验的形式分别研究了单体锂离子电池的产热情况,根据锂离子电池在绝热条件下的产热功率公式得出:圆柱形三元18650锂离子电池在31℃进行5 C充电时的产热功率为7.65 W;方形Li Fe PO4动力电池在30℃进行3 C放电时的产热功率为47.51 W。针对700 Wh圆柱形锂离子电池组的液冷板设计及优化研究,本文提出了一种简化但有效的策略耦合单因素分析与正交试验,系统地研究了入口速度v、通道数N和接触角θ对冷却性能的影响来优化液冷板的结构。结果表明各因素的影响等级依次为:θ>v>N,即接触角θ对冷却性能的影响最为显著,应固定在70°左右。针对700 Wh方形锂离子电池组的液冷板设计及优化研究,本文设计了一种液冷板放置在锂电池组两侧的液冷热管理系统。首先在初始液冷系统的基础上分别研究了进口流速v、流道宽度w以及导热铝板的厚度h对冷却性能的影响,然后在液冷系统耗功相同的情况下,比较了5种不同流道形状的液冷板所具有的冷却性能,结果表明基于LCP-(e)的液冷热管理系统具有冷却性能好、结构相对简单等特点,当v、w和h分别为0.275 m/s、26 mm和4 mm时,电池组内的最大温差ΔTmax降低到3.7℃。
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