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电池|基于平板热管优化布置的电池热管理系统性能研究


电池|基于平板热管优化布置的电池热管理系统性能研究
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热管理系统对动力电池的长期安全运行至关重要。单个电池之间的温度差超过了电池性能允许的加速，导致电池不再能继续使用，影响整车性能。与风冷系统传热系数低、液冷系统结构复杂、相变材料系统质量大相比，热管导热系数高、等温性能强、重量轻，它是一种有效的冷却元件，可用于热管理。
本研究采用平板热管(FPHP)对电池的温度进行管理，通过实验得到了平板热管的优化布置。在此基础上，对热管理系统的热性能进行了研究，从而达到降低电池的最高温度，平衡电池之间的温差的目的。
本文以方形LiFePO4电池组为研究对象，以电池发热-传热-散热为主线。首先，根据电池的热特性建立电池的产热模型，然后基于FPHP的传热特性，建立FPHP的传热模型。通过不同放电倍率实验，研究了含和不含FPHP条件下电池组的热管理性能。通过与模拟结果和自然冷却结果的比较，得出了平板热管在不同排量下的优越性。
研究表明，该热管理系统将电池温差保持在3°C以内。用于电动汽车，为今后大功率电池的热管理提供参考和支持。
介绍
近年来，为应对能源危机，保护环境，实现可持续发展，电气化已成为交通领域的主要发展方向之一。锂离子电池因其容量大、比能高、循环寿命长、无记忆效应而成为电动汽车动力电池的首选。它的性能决定了整车的性能。
电动汽车的运行条件复杂多变。锂离子电池在将化学能转化为电能的过程中会积累大量的热量，导致电池温度迅速上升，单体电池温度分布不均匀，从而导致电池性能不一致。进一步导致电池模块过早失效，影响电池的性能和寿命，严重情况下甚至引起火灾、爆炸等安全事故。因此，为了确保电池的性能和安全，通过采取有效的热管理来控制整个电池组的温度在20 ~ 50度的范围内，并且控制电池的温差低于6°C。
该热管具有导热系数高、热流密度可变、等温性能好等优点，是蓄电池热管理的理想散热部件。本文针对方形磷酸铁锂动力电池组，设计了一种基于FPHPs和翅片空气冷却的复合散热结构。电池的热量通过导热系数高的热管传递。通过对单体电池的数值模拟，验证了电池模型的准确性，然后在不同布置方式下进行FPHP实验，测量其传热阻力，得到具有最小热阻的布置方式。然后，设计了FPHPs-电池热管理系统，并结合数值模拟和实验研究，探讨了在不同放电速率条件下，有无FPHP散热结构对电池组温度和电池间温差的影响。
锂离子电池热模型的建立
由于电池组成材料的多样性和电池内部复杂的化学反应，为了便于对锂离子电池的温度进行数值模拟分析，在建模时适当假设模型：
1.由于电池内部辐射对电池散热的影响很小，因此忽略内部辐射传热。
2.电池内部材料是均匀的，即各材料的热性能是均匀的，各材料的比热容和导热系数不受放电深度和环境温度的影响。
3.电池内部均匀地产生热量。
根据热力学理论，锂离子电池主要包括电池的总热量,热量吸收和换热、与外部环境的热交换主要通过热对流和热辐射。因此，电池整个产热过程遵循能量守恒定律，可以表示为:
根据上节的假设，上述方程在笛卡尔坐标系下的三维非稳态热传导微分方程可以表示为:
? ??电池的产热率主要包括电池芯的产热率和电极的产热率。对于假设产热均匀的电池芯的产热率，通常采用Bernardi产热率计算模型计算:
电池的正极和负极一般由铝和铜材料制成。当电流流经电极时，电极内阻产生的热量称为极化热，其计算方法为欧姆热:

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