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论文中文题名:

 相变材料与液冷结合的电池热管理系统研究    

姓名:

 蔡艳斌    

学号:

 18305216006    

保密级别:

 公开    

论文语种:

 chi    

学科代码:

 085234    

学科名称:

 工学 - 工程 - 车辆工程    

学生类型:

 硕士    

学位级别:

 工程硕士    

学位年度:

 2023    

培养单位:

 西安科技大学    

院系:

 机械工程学院    

专业:

 车辆工程    

研究方向:

 电池热管理系统研究    

第一导师姓名:

 张传伟    

第一导师单位:

 西安科技大学    

论文提交日期:

 2023-06-15    

论文答辩日期:

 2023-05-31    

论文外文题名:

 Study on thermal management system of battery combined with phase change material and liquid cooling    

论文中文关键词:

 锂离子电池 ; 电池热管理 ; 复合相变材料 ; 液体冷却    

论文外文关键词:

 Li-ion battery ; Battery thermal management ; Composite phase change material ; Liquid cooling    

论文中文摘要:

       新能源汽车作为节约能源、环境友好型产品,以其在节能与缓解环境压力中的双重优势,已成为汽车产业未来发展的主要方向。面对电动汽车在工作中出现的自燃、起火等热失控问题,对电动汽车用动力电池进行热管理十分重要。本文以磷酸铁锂电池(LiFePO4)为研究对象,开展以下研究:

(1)针对磷酸铁锂锂电池的热管理,提出相变材料与水冷结合的锂电池热管理模型。利用Bernardi等人的产热量计算模型,通过脉冲测试法(HPPC)计算电池的欧姆内阻,从而计算不同放电倍率下的电池产热功率,根据电池组的产热量估算相变材料的用量。

(2)进行锂离子电池单体建模与温升分析。通过分析锂离子电池产热原理及计算方法,并基于控制方程与边界条件,建立锂离子电池单体模型,通过单体电池放电实验和仿真分析进行验证,以及对单体电池自然散热进行仿真分析。

(3)进行锂离子电池热管理系统建模与控温分析。基于单体建模的结果,建立电池组模型,通过Fluent软件分别对自然冷却、15%EG含量的复合相变材料(15%EG/CPCM)、15%EG/CPCM +水冷组合热管理系统等三种模型进行仿真分析,模拟在环境温度为25°、30°、35°、40°下,电池以1C、2C倍率放电时的电池温升情况。

(4)搭建锂离子电池热管理系统实验平台,进行电池组在不同的温度、不同的放电倍率下的放电实验。实验结果表明,在环境温度为30°,以1C放电倍率放电的情况下,自然冷却散热即可满足控温要求;在环境温度为35°,以1C放电倍率放电的情况下,用15%EG/CPCM组成的电池热管理系统,可将电池组最高温控制在43.49°,温差控制在2.68°,可以满足热管理要求;在环境温度为40°,以2C放电倍率放电的情况下,15%EG/CPCM与水冷结合的热管理系统,可将电池表面最高温控制在49.61°以内,温差控制在3.51°。通过仿真与实验验证,结果表明15%EG/CPCM与水冷结合的锂电池热管理系统的有效性。

论文外文摘要:

     As an energy saving and environmentally friendly product, new energy vehicles have become the main direction for the future development of the automotive industry due to their dual advantages in energy conservation and alleviating environmental pressure. In the face of thermal runaway problems such as spontaneous combustion and ignition in the operation of electric vehicles, thermal management of power batteries used in electric vehicles is very important. In this paper, lithium iron phosphate battery (LiFePO4) is taken as the research object, and the following studies are carried out:

(1) Aiming at the thermal management of lithium iron phosphate battery, a thermal management model of lithium iron phosphate battery combined with phase change materials and water cooling was proposed. Based on the thermal generation calculation model of Bernardi et al., the ohm internal resistance of the battery was calculated by the pulse test method (HPPC), so as to calculate the thermal power of the battery at different discharge rates. The amount of phase change material is estimated according to the heat production of battery pack.

(2) Conduct lithium-ion battery cell modeling and temperature rise analysis. By analyzing the lithium-ion battery heat production principle and calculation method, and based on the control equation and boundary conditions, we establish the lithium-ion battery cell model, verify it through the cell battery discharge experiment and simulation analysis, as well as simulate the natural heat dissipation of the cell battery.

(3) Modeling and temperature control analysis of the thermal management system of lithium-ion batteries were performed.  Based on this, the battery pack model was established. Fluent software was used to simulate and analyze three models of natural cooling, 15%EG composite phase change material(15%EG/CPCM) and 15%EG/CPCM + water cooling combined thermal management system. The simulation was carried out under the environment temperature of 25°, 30°, 35° and 40°.Temperature rise of the battery when discharging at 1C and 2C.

(4) Build the experimental platform of battery thermal management system, and conduct discharge experiments at different temperatures and discharge rates of battery packs. The experimental results show that natural cooling can meet the requirements of temperature control when the ambient temperature is 30° and the discharge rate is 1C.When the ambient temperature is 35° and the discharge rate is 1C, the battery thermal management system composed of 15%EG/CPCM is added, the maximum high temperature of the battery pack can be controlled at 43.49° and the temperature difference can be controlled at 2.68°, which can meet the requirements of thermal management. When the ambient temperature is 40° and discharge at 2C rate, the combination of 15%EG/CPCM and water cooling can control the maximum temperature of the battery surface within 49.61°, and the temperature difference is controlled at 3.51°.

    Through simulation and experimental verification, the results show that 15%EG/CPCM combined with water cooling lithium battery thermal management system is effective.

参考文献:

[1]Pouria Ahmadi. Environmental impacts and behavioral drivers of deep decarbonization for transportation through electric vehicles[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 225(10): 1209-1219.

[2]新浪财经. 2023中国车市展望|新能源汽车市场有望实现超30%正增长[EB/OL]. (2023-1-30)[2023-3-25]. https://finance.sina.com.cn/jjxw/2023-01-30/doc-imycyieq7046931.shtml.

[3]祁晓玲. 7月我国汽车产销量创历年同期新高[N]. 中国工业报, 2022, 08(19): 4.

[4]中商产业研究院. 2022年10月中国动力电池行业运行情况:磷酸铁锂电池产量同比增长142.6%(图)[EB/OL]. (2022-11-11)[2023-3-25]. http://wap.seccw.com/Document/detail/id/16174.html.

[5]王炎. 电池液流冷却热传输强化与协同研究[D]. 长春: 吉林大学, 2019.

[6]陈泽宇, 熊瑞, 孙逢春. 电动汽车电池安全事故分析与研究现状[J]. 机械工程学报, 2019, 55(24): 93-104+116.

[7]邱焕尧. 基于锂离子动力电池液冷散热结构设计及仿真分析[D]. 西安: 长安大学, 2019.

[8]唐志国, 赵仁陈, 赵智健等. 基于高均温性锂离子电池液冷模组热管理研究[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版), 2022, 41(11): 137-144.

[9]李顶根, 邹时波, 徐鹏, 等. 不同热管理方案下锂离子电池模组温度特性分析[J]. 汽车工程学报, 2020, 10(02): 98-106.

[10]鲍义斌. 相变微胶囊悬浮液的流动与传热特性及在电池热管理中的应用[D]. 徐州: 中国矿业大学, 2022.

[11]李俊伟,张恒运,吴笑宇,王影.基于热电制冷的动力电池模组散热性能研究[J].储能科学与技术,2020,9(06):1790-1797.

[12]潘晓楠. 高低温环境下相变冷却锂离子电池热管理性能优化[D]. 青岛: 青岛科技大学, 2022.

[13]杨坤, 雷洪钧, 肖博文, 等. 锂离子电池热失控机理分析与解决策略[J]. 江汉大学学报(自然科学版), 2020, 48(05): 14-20.

[14]Fan L, Khodadadi J M, Pesaran A A. A parametric study on thermal management of an air cooled lithium-ion battery module for plug-in hybrid electric vehicles[J]. Journal of Power Sources, 2013, 238: 301-312.

[15]Sabbah R, Kizilel R, Selman J R, et al. Active (air-cooled) vs passive(phase change material) thermal management of high power lithium-ion packs: limitation of temperature rise an uniformity of temperature distribution[J]. Journal of Power Sources, 2008, 182(2): 630-638.

[16]吴伟雄. 基于相变材料的电池热管理性能研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2019.

[17]Kuahai Yu, Xi Yang, Yongzhou Cheng, Changhao Li. Thermal analysis and two-directional air flow thermal management for lithium-ion battery pack[J]. Journal of Power Sources, 2014, 270.

[18]Xun J,Liu R,Jiao K.Numerical and analytical modeling of lithium ion battery thermal behaviors with different cooling designs[J].Journal of Power Sources,2013,233:47-61.

[19]茹敬佩. 基于风冷散热的电动汽车电池组热模型与温度控制研究[D]. 长春: 吉林大学, 2017.

[20]李夔宁, 张鸿翔, 周志, 等. 新能源汽车电池冷板性能分析及优化[C] //中国汽车工程学会. 2021中国汽车工程学会年会论文集(2). 北京:机械工业出版社, 2021: 290-296.

[21]吴忠杰, 张国庆. 混合动力车用镍氢电池的液体冷却系统[J], 广东工业大学学报, 2008, 25(04): 28-31.

[22]罗玉涛, 罗卜尔思, 郎春艳. 锂离子动力电池组的直接接触液体冷却方法研究[J]. 汽车工程, 2016, 38(07): 909-914.

[23]Saw L H, King Y J, Yew M C, et al. Feasibility study of mist cooling for lithium-ion battery[J]. Energy Procedia, 2017, 142: 2592-2597.

[24]Chen S, Peng X, Bao N, et al. A comprehensive analysis and optimization process for an integrated liquid cooling plate for a prismatic lithium- ion battery module[J]. Applied Thermal Engineering, 2019, 156: 324-339.

[25]刘玮, 于林, 张鹏飞, 等. 一种基于热管和液冷装置的电池热管理系统: CN111564675B[P]. 2022-08-02.

[26]王元哲. 纯电动乘用车动力电池液冷热管理结构设计[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2017.

[27]李潇, 陈江英, 李翔晟. 基于新型流道液冷板的动力电池热管理性能[J]. 电源技术, 2020, 44(10): 1438-1442.

[28]Wang Q, Jinang B, Xue Q F, et al. Experimental investigation on EV battery cooling and heating by heat pipes[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 88(0): 54-60.

[29]姚程宁, 丹聃, 张扬军, 等. 基于电池热管理系统的微通道热管阵列的传热性能[J]. 科学通报, 2020, 65(31): 3485-3496.

[30]Tran T H, Harmand S, Desmet B, et al. Experimental investigation on the feasibility of heat pipe cooling for HEV / EV lithium-ion battery[J]. Applied Thermal Engineering, 2014, 63(2): 551-558.

[31]Gan Y H, Wang J Q, Liang J L. Development of thermal equivalent circuit model of heat pipe-based thermal management system for a battery module with cylindrical cells[J]. Applied thermal engineering: Design, processes, equipment, economics, 2020, 164: 475-485.

[32]凌子夜. 基于膨胀石墨基复合相变材料的动力电池热管理系统性能研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2016.

[33]陈忱, 孙俊俊, 朱庆勇. 石蜡/膨胀石墨复合相变材料耦合热管电池热管理性能研究[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(24): 10478-10484.

[34]李泽群, 杨建国. 石墨/石蜡相变材料在电池热管理中的应用[J]. 电源技术, 2020, 44(09): 1287-1292.

[35]肖昌仁. 高稳定性电池热管理用相变材料的设计与应用研究[D]. 广州: 广东工业大学, 2021.

[36]AL-Hallaj S, Selman J R. Thermal modeling of secondary lithium batteries for electric vehicle/hybrid electric vehicle applications[J].Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 341-348.

[37]许可俊. 电动汽车用锂电池热管理系统研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2019.

[38]Jilte R, Afzal A, Panchal S. A novel battery thermal management system using nano-enhanced phase change materials [J]. Energy, 2021, 219.1-36

[39]姜贵文, 李敬会, 黄菊花, 等. 相变材料和液冷耦合散热的锂电池热管理研究[J]. 电源技术, 2018, 42(10): 1462-1465+1485.

[40]姜鑫鑫,李凌.相变材料和液冷结合的锂离子电池热管理性能优化[J]. 上海理工大学学报, 2023,45(5): 1-8.

[41]胡祖贤, 王可, 干宏程, 等. 电动汽车电池热管理系统发展现状及分析[J]. 农业装备与车辆工程, 2023, 61(01): 69-74.

[42]刘自强. 复合相变材料与液冷耦合的动力电池热管理系统的研究[D]. 南昌: 南昌大学, 2022.

[43]王海涛, 李建, 李皖皖. 基于PA/OBC/EG复合相变材料的锂离子电池热管理研究[J]. 化工新型材料, 2022, 50(11): 141-146+152.

[44]何晓帆. 基于相变材料与液冷结合的锂离子电池热管理技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2020.

[45]Bernardi D, awlikowski E, Newman J. A general energy balance for battery systems[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1984, 132(1): 5-12.

[46]朱志祥, 尚丽平, 屈薇薇. 基于HPPC的锂电池欧姆内阻最优测试条件研究[J]. 电源技术, 2020, 44(06): 841-843+848.

[47]朱小龙. 动力电池热管理系统温控性能实验与数值模拟研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2018.

[48]王腾. 动力电池组分层风冷式热管理系统研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2016.

[49]Sato N. Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J]. Journal of Power Sources, 2001, 99(1-2): 70-77.

[50]陈尚瑞. 动力电池热管理系统研究[D]. 西安: 西安科技大学, 2020.

[51]王屹航, 杨元凯, 谢驰宇, 等. 电池单体热分析[J]. 电子技术, 2020, 49(05): 1-8.

[52]Giuliano M R, Advani S G, Prasad A K. Thermal analysis and management of lithium-titanate batteries[J]. Journal of Power Sources, 2011, 196(15): 17-24.

[53]Nelson P, Dees D, Amine K, et al. Modeling thermal management-f lithium-ion PNGV batteries[J]. Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 349-356

[54]许沛. 基于直接建模思想的参数化模型处理工具—ANSYS SpaceClaim Direct Modeler[J]. CAD/CAM与制造业信息化, 2011, 197(07): 40-43.

[55]雷治国, 张承宁, 雷学国, 等. 电动汽车用锂离子电池热特性和热模型研究[J]. 电工电能新技术, 2015, 34(12): 59-64.

中图分类号:

 U469.72    

开放日期:

 2023-06-16    

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