论文部分内容阅读
电动汽车动力电池的性能受温度影响严重,现有的电池散热技术均存在各自不同的局限性。而开口多孔介质比表面积大、重量轻,且能强化流体湍动、增强散热效果、使温度分布更均匀。本文综合考虑电动汽车动力电池的散热需求和多孔介质强化传热的特性,提出基于多孔介质的动力电池散热模式。首先对多孔介质内流动和传热的机理进行研究,进而对基于多孔介质的动力电池散热系统的设计关键因素进行确定,并对该系统散热性能的影响因素进行分析和研究。主要取得的研究成果如下:1.多孔介质内传热机理研究。推导出多孔介质内导热过程的温度分布表达式和边界层内强迫对流换热过程的Nu数表达式;根据Brinkman-Darcy扩展模型和局部非热平衡模型,分别推导平板通道内填充多孔介质与未填充时的无量纲流速和无量纲温度的解析解,以及两种情况下的Nu数表达式,并分析了Darcy数、Bi数、有效导热系数比k和孔隙率ε等各无量纲参数对传热过程的影响规律。2.多孔介质窄间隙竖直通道内流动与传热机理的数值模拟研究。通过分析多孔介质窄间隙竖直通道内的流速分布规律,拟合出流动阻力准则方程;通过分析通道宽高比、入口速度、多孔介质孔隙率等对通道壁面温度、对流换热系数以及Nu数的影响规律,拟合出传热特性准则方程;通过（火用）传递理论,分析多孔介质窄间隙竖直通道内的对流换热（火用）传递特性,建立（火用）传递方程;推导出由于温差传热得到的传（火用）努塞尔数NueT和由于流动阻力损失的传（火用）努塞尔数NueP的表达式;定义了（火用）临界雷诺数,并求得本研究工况下的（火用）临界雷诺数为2147.5。3.多孔介质窄间隙竖直通道内传热规律的实验研究。自行搭建实验平台,设计实验流程,均匀布置测温点,测量窄间隙竖直空通道和多孔介质窄间隙竖直通道在不同入口速度、不同热流密度、不同多孔材料填充等情况下各个测温点的温度值,进而求得各情况下的对流换热系数和平均Nu数。对直接测量的实验数据和间接数据进行直接测量误差分析和间接测量误差分析;采用廉价的铁刨花材料和泡沫铜研究不同固体材质、不同体积孔隙率对传热过程的影响;比较和分析不同入口速度、不同热流密度等情况下多孔介质窄间隙竖直通道和空通道的壁面温度的差异。4.多孔介质在动力电池散热系统中的应用研究。建立基于多孔介质的动力电池散热系统的设计流程,对系统中的关键因素进行确定,并对系统散热效果的影响因素进行分析。对散热系统的温度设计目标、多孔介质填充长度、孔隙率以及箱体材料分别进行研究;对入口速度、环境温度以及车辆行驶速度的影响进行分析;比较不同出入风口的位置、数量和形状时的速度分布均匀性指标和温度分布均匀性指标;根据电池排列方式和电池与箱体之间的距离的分析和研究,提出箱体结构优化的方案。综上,本文结合理论推导、数值模拟与实验研究的方法,融合多孔介质内流动传热领域和机械设计领域,对电池散热系统的分析以及系统中涉及的流动和传热过程进行研究。研究结果和方法能为多孔介质内的流动和传热机理的揭示、电池散热系统的设计与应用提供理论指导和参考。