基于阵列微热管散热的动力电池热-流-电耦合建模方法及动态特性研究

Due to the severe heat-flow-electric safety, thermal stability caused by non-consistence electricity and electrical inconsistency caused by non-uniformity heat-flow of power batteries, it is imperative to design an effective and well-designed battery thermal management system (BTMS) to prevent temperature extremes, help the battery function perfectly, extend longer cycle life and improve the performance of electric vehicles (EVs). In this program, through combining the numerical simulation with experimental research method, taking a lithium-ion (Li-ion) power battery as the study object. Considering the three-dimensional transient thermal effect under the service conditions coupled with the complex dynamic electrical characteristics of the battery on the vehicle conditions. The modeling theory and method of heat-flow-electric coupled numerical simulation for power battery is established. Based on the thermal resistance network model of the array heat pipes, the simulation modeling method of heat-flow-electric model coupled with high efficiency heat transfer of array heat pipes is explored. The dynamic heat-flow-electric performance of BTMS with array heat pipes under different heat dissipation cycles/time and heat-flow-electric inconsistency are analyzed. And the uniformity of the heat-flow-electric performance of the BTMS is evaluated. The research results can provide theoretical basis and technical support for applying heat transfer technology of heat pipes in the power battery of EVs.

针对电动汽车（EV）用动力电池存在的较为突出和严峻的热-流-电安全性问题、由电不一致性引起的热可靠性问题以及由非均匀热-流场引起的电不一致性等热-流-电耦合问题，采用高效电池热管理系统（BTMS）对提高电池使用性能至关重要，从而保证其最优工作温度范围及热-流-电的均衡性，提升EV的安全性、可靠性和寿命。本项目通过数值模拟与实验研究相结合的方法，以某锂离子动力电池为研究对象，基于电池服役工况下的三维瞬态热效应同时耦合电池车用工况下的复杂动态电特性，建立动力电池热-流-电耦合数值仿真建模理论及方法；基于阵列热管热阻网络模型，探索将阵列微热管相变传热耦合于动力电池的热-流-电模型的仿真建模方法，分析不同散热循环及循环周期和热-流-电不一致条件下基于阵列微热管散热的BTMS热-流-电耦合动态特性并进行热-流-电均衡性评价。研究成果可为热管强化传热技术在EV动力电池上的应用提供理论基础和技术支撑。

针对电动汽车（EV）动力电池存在的热-流-电安全性问题、由电不一致性引起的热可靠性问题以及由非均匀热-流场引起的电不一致性等热-流-电耦合问题，本项目以7块3.2V15Ah方形锂离子动力电池组成的电池模组为研究对象，通过仿真与实验相结合的方法，基于电池三维瞬态热效应同时耦合其复杂动态电特性，建立动力电池热-流-电耦合数值仿真建模理论及方法；考虑EV的轻量化要求，提出采用铝微热管（AMHP）用于动力电池热管理（BTMS），并基于阵列热管传热网络模型，探索将阵列微热管相变传热耦合于动力电池的热-流-电模型的仿真建模方法，分析热-流-电不一致条件下基于阵列微热管散热的BTMS热-流-电耦合动态特性。结果表明：在自然对流条件下，考虑热辐射效应的区域化多动态内热源耦合的电池三维热效应模型可降低34.15%的误差率，不仅有利于降低电池模组的最高温度，还可提高热模型的精度。当模组中的单体出现热电不一致时，其初始荷电状态SOC值差异越大，其初始生热率越大，表面最高温度越高，温差越大。通过提出的动力电池热-流-电耦合三维模型，对基于阵列AMHP散热的BTMS进行仿真分析，表明增加AMHP可有效降低模组中心的温度，并将最高温度从模组中心转移至外表面，同时由于AMHP的高导热作用及翅片的强制对流换热的影响，在2C放电时可使模组最高温度降至47.39℃，比自然对流方式降低了15.31℃,说明AMHP用于动力电池散热的高效性。并采用极差分析法和层次分析法分析了翅片参数对热管式电池模组热-流-电耦合动态特性的影响，翅片各因素对热管式电池模组散热影响因素的影响程度依次为：翅片数量(A)>翅片尺寸(B)>翅片位置(C)>翅片间距(D)；最优参数组合为A3B2C1D3，也即A=9, B=85mm, C=9mm和D=60mm×100mm；AMHP结合强制对流更有利于模组的散热，当C=9mm、对流换热系数从25W·m-2·K-1增大到45W·m-2·K-1时，模组最高温度下降了5.01℃。同时搭建阵列微热管式BTMS散热系统试验台对电池模组热-流-电耦合动态特性进行测试，实验值和仿真值的最大误差均控制在5%以内。研究成果可为热管强化传热技术在EV动力电池上的应用提供理论基础和技术支撑。