【摘 要】
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随着化石燃料的大量消耗,近几十年来全球能源和环境问题越来越受到关注。传统的内燃机汽车会消耗更多的化石燃料并产生气体污染物,被认为是主要的污染源之一。采用可充电锂离子电池的电动汽车可以有效减少环境污染。锂离子电池作为一种能量载体,由于其较大的能量密度、长寿命和无记忆效应等特点而成为人们关注的焦点。然而,高温下锂离子电池性能会显著下降,这阻碍了其实际应用。人们还认识到,电池内部的热量积累会引发一系列化
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随着化石燃料的大量消耗,近几十年来全球能源和环境问题越来越受到关注。传统的内燃机汽车会消耗更多的化石燃料并产生气体污染物,被认为是主要的污染源之一。采用可充电锂离子电池的电动汽车可以有效减少环境污染。锂离子电池作为一种能量载体,由于其较大的能量密度、长寿命和无记忆效应等特点而成为人们关注的焦点。然而,高温下锂离子电池性能会显著下降,这阻碍了其实际应用。人们还认识到,电池内部的热量积累会引发一系列化学反应,导致电池温度快速上升,甚至引发热失控。频繁的锂离子电池起火事件引发了对个人电子产品、交通工具和大型商用飞机安全问题的担忧。此外,电池组中过高的温差可能导致电池老化不平衡,电池容量减少。因此,迫切需要寻求一种有效的电池热管理系统（BTMS）,以保证电池可以在正常的温度范围内运行,并保持电池之间尽可能小的温差。电池热管理系统控制着电池组的工作温度,这对电动汽车的安全性和性能具有重要意义。电池工作温度过高会缩短电池寿命,甚至导致热失控。传统的空冷电池热管理系统以其制造成本低、结构简单和可靠性高等优势,仍被广泛应用于轻型电动汽车。本文以某型号车使用的18650锂电池作为研究对象,采用计算流体动力学（CFD）模拟技术,以降低系统的能耗、电池组的最高温升和改善电池的温度均匀性为主要目标,对散热系统进行了仿真研究并做出了改进,提升了空基电池热管理系统的性能,为动力电池热管理系统的实际开发提供一定的借鉴。本文的主要研究内容如下:（1）利用Fluent软件对现有的18650锂电池组的BTMS进行CFD仿真计算,通过CFD模拟数据与实验数据的对比,发现模拟结果与实验结果基本一致,验证了CFD模型的有效性。（2）通过参数分析,探讨了在一定条件下BTMS的性能对主要设计变量的敏感性,分析了入口风速和电池组通道间距对BTMS性能的影响,在深入参数化研究的基础上,利用各种设计变量,通过CFD模拟建立了电池包空间结构与冷却性能参数关系数据库。（3）基于神经网络模型,结合粒子群优化算法,进行最高温度和能耗相结合的多目标优化,得到了优化设计参数,并与CFD模拟预测进行了对比验证。在最优条件下,改进的BTMS能耗降低到原BTMS的41.19%。仿真分析表明,所提出的多目标优化方法能有效降低电池热管理系统的能耗。（4）在原有的电池包结构的基础上,进行电池包内部结构的改进,添加了棱镜结构,通过改变其流场的分布改善了温度场的分布。在扰流棱镜内填充相变材料（PCM）,利用PCM的蓄热性进一步提高了BTMS的冷却性能,并阻碍了热失控的传播。（5）通过添加外翅片,将空气的热量快速导入PCM,加强了PCM的冷却能力,并且进一步改变了流场的分布,改善了电池组的最高温度和温度均匀性。还研究了不同翅片长度对BTMS冷却性能的影响。
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