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液流循环电池成组传热强化及其整车集成热管理研究

1.引言

1.1液流循环电池成组传热背景及意义

液流循环电池作为新能源汽车的关键动力来源，其性能的稳定性和使用寿命的长短直接关系到整车的运行效率和使用成本。在电池的工作过程中，由于电化学反应和外部环境的影响，会产生大量的热量。若这些热量不能被有效管理和控制，不仅会影响电池的性能，甚至可能引发安全事故。

随着电池容量的增加和电池密度的提高，电池的传热问题愈发显著。而成组使用的液流循环电池，其传热特性更为复杂。研究成组传热问题，对于优化电池热管理系统，提高电池使用效率和安全性，具有重要的理论意义和应用价值。

1.2研究目的与内容

本研究旨在深入分析液流循环电池成组传热特性，探索有效的传热强化策略，并结合整车集成热管理，实现电池热管理的优化。研究内容包括：

分析液流循环电池的工作原理及其传热机制；

研究成组传热的影响因素，建立并验证传热模型；

探索传热强化方法，设计传热强化方案，并分析其效果；

研究液流循环电池在整车热管理中的应用，提出整车集成热管理策略；

实施协同优化，提高热管理系统的性能。

1.3研究方法与技术路线

本研究采用理论分析、数值模拟和实验验证相结合的研究方法。具体技术路线如下：

通过文献综述和理论分析，掌握液流循环电池的工作原理和传热机制；

基于数值模拟方法，建立成组传热模型，并通过实验数据验证模型的准确性；

分析不同传热强化方法的优缺点，设计传热强化方案，并通过模拟分析评估其效果；

结合整车热管理需求，提出集成热管理策略，实现电池与整车的热协同；

基于协同优化目标，建立优化模型，并采用优化算法进行求解；

通过实验验证优化结果，对优化前后的热管理性能进行对比分析。

2.液流循环电池成组传热特性分析

2.1液流循环电池工作原理及传热机制

液流循环电池作为一种重要的能量储存设备，在电动汽车等领域有着广泛应用。其工作原理是通过电解液循环流动，将化学能转化为电能。在液流循环电池中，电解液不仅承担了活性物质的运输，同时也承担了热量的传递。

液流循环电池的传热机制主要包括以下三个方面：

传导传热：电池内部由阳极、阴极、隔膜等构成，这些材料之间通过固体接触进行热量传导。

对流传热：电解液在循环过程中，通过流动将热量带至电池各部分，实现热量的传递。

辐射传热：电池表面与外界环境之间的热量交换，主要通过辐射方式完成。

2.2成组传热影响因素

液流循环电池成组传热受到多种因素的影响，主要包括：

电池内部结构：电池的内部结构设计会影响电解液的流动特性，从而影响传热效率。

电解液性质：电解液的物性参数（如密度、粘度、比热等）对传热效果有直接影响。

工作条件：电池的工作温度、电流大小等都会影响其传热性能。

散热系统设计：电池组的散热系统设计是影响传热效果的关键因素，合理的散热设计可以有效地提高传热效率。

2.3传热模型建立与验证

为了准确分析液流循环电池成组的传热特性，建立合适的传热模型至关重要。本研究基于以下假设建立传热模型：

电解液为不可压缩牛顿流体；

电池内部温度分布均匀；

忽略电池边缘效应；

电池表面与外界环境之间的热交换以对流和辐射为主。

采用数值模拟方法对模型进行求解，并通过实验数据对模型进行验证。实验结果表明，所建立的传热模型能够较好地反映液流循环电池成组的传热特性，为后续传热强化策略的研究提供了基础。

3.液流循环电池成组传热强化策略

3.1强化传热方法综述

强化传热是提高液流循环电池成组传热效率的重要手段。目前，常用的强化传热方法主要包括以下几种：

增加传热面积：通过增加电池单体与冷却介质之间的接触面积，提高传热效率。

优化冷却通道设计：合理设计冷却通道的形状、大小和布局，以减小流动阻力和提高冷却效果。

采用相变材料：利用相变材料的熔化和凝固过程吸收和释放热量，从而提高传热效率。

应用热管技术：热管是一种利用工作流体在真空环境下吸热和放热来实现热量传递的装置，具有很高的传热性能。

增强流体流动：通过提高冷却介质的流速或采用湍流促进器等方法，增强流体与电池单体之间的对流传热。

3.2传热强化方案设计

针对液流循环电池成组传热特点，以下传热强化方案可供参考：

冷却通道优化：采用交错排列的冷却通道设计，增加冷却介质与电池单体的接触面积，提高传热效率。

热管技术应用：在电池组中布置热管，利用其高效的传热性能，实现快速均匀的热量分布。

相变材料应用：在电池组局部热点区域涂抹相变材料，利用其相变过程吸收热量，降低热点温度。

流场优化：通过改变进出口流道设计，优化冷却介质的流动分布，提高传热效果。

3.3传热强化效果分析

为验证传热强化方案的效果，采用数值模拟和实验测试相结合的方法进行分析：

数值模拟：利用计算流体力学（CFD）软件，对传热强化方案进行模拟分析，得出温