摘要
车用锂离子电池的性能对温度较为敏感，开发高效节能的电池热管理技术，确保锂离子电池运行在15~35℃的最佳范围内，对锂离子电池意义重大。微通道冷板因体积小且换热系数大等优势广泛应用于车用锂离子电池冷却，冷板结构、通道形状和数量的优化研究是改善其换热性能的关键。本文针对方形电池设计了一种特斯拉阀型通道冷板，在建立的高精度电池热模型基础上开展液冷仿真，优化冷板配置参数，并通过液冷循环实验研究了冷板的换热性能。 基于搭建的电池特性测试实验平台，设计并开展了一系列锂离子电池特性实验，包括放电温升实验、开路电压与端电压测试、混合动力脉冲能力特性实验和熵热系数实验，分析处理实验结果，获取了电池温升特性、开路电压与端电压特性、内阻特性和熵热系数特性，为后续电池热模型的建立与仿真提供了重要依据。 根据电池产热和传热机理建立了电池三维三源项热模型。开展了绝热条件下方形和圆形电热片加热实验，辨识了电池内核比热容和各向导热系数；根据Bernardi产热模型和焦耳定律分别获取了电池内核区时变产热率和正负极区恒定产热率；使用Fluent开展了电池产热模拟，温升仿真与实验相对误差维持在3.57%以内，电池热模型精度较高，为液冷结构的优化设计提供了模型参考。 设计了一种具有特斯拉阀型通道的冷板，建立了电池液冷有限元模型，针对电池3C放电工况开展了液冷仿真，发现与Z型通道相比，特斯拉阀型通道内冷却液正向和逆向流动时冷却效率分别提高了约4.5%和17.6%，特斯拉阀的分叉结构造成的湍流扰动增强了冷板的换热能力，改善了电池温均性。分析了冷板特征参数和冷却液流速改变对电池冷却效果的影响，通过中心复合设计响应面法获取了三个评价指标代理模型，设计了期望函数进行多目标优化，结果表明特斯拉阀夹角为120°、特斯拉阀间距为23.1mm、通道间距为28mm、冷却液进口速度为0.83m/s的冷板在换热性能与能耗之间取得了良好的平衡，最优配置下电池最高温度控制在30.5℃以内，且通道压降较低。 基于搭建的液冷系统实验平台开展了电池液冷循环实验，检验了仿真的合理性与准确性，最优配置下液冷仿真与实验最大误差不超过1.25℃，证明了冷板参数优化设计的可信度较高。通过实验分析了冷板换热性能随冷却液进口流量和温度的变化规律，发现冷却液进口流量超过398mL/min时，电池冷却效果和温均性的改善逐渐趋于饱和状态；而冷却液进口温度的确定应考虑环境因素，进口温度过高或过低会造成冷板性能不均衡。
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