车用动力电池系统热场分布、热传输机理及热管理研究

Thermal management is the key fundamental technology for the development of high-performance power battery system, as well as the advanced research hotspot in the field of engineering thermophysics. This proposal focuses on the thermal characteristics, heat transfer and thermal management of the power battery system..(1).A hierarchical decomposition principle of the heat transfer process of a battery pack and key influencing factors will be studied, to reveal the multi-field coupling mechanism; a multi-field coupled analytical model for a battery pack and a dynamic heat transfer optimization method of battery thermal management structure design will be established..(2).The interaction of the pack structure, typical vehicle operating conditions and the temperature time-lag effect will be studied; a parameterized model of the thermal characteristics analysis of the dynamic control of thermal management will be established; and a controlling strategy and method which takes into account the influence of time-lag effect will also be established..(3).Based on the investigation of the coupling mechanism of the specific turbulence structures, fluid flow and the heat transfer characteristics, a new method of pack cooling using vapor chamber with high efficiency and low resistance will be designed; .(4).Based on the study of the internal structure of electrode and electrolyte materials in the large-scale battery and solid-state battery as well as the influence of packaging on the thermal and contact properties of materials, a new design method considering the cell internal structure can be established to minimize the interface electric and thermal resistance whiles reducing contact inconsistencies associated with differential thermal expansion coefficients of cell materials..Research results will provide the fundamental theories and key techniques for the design of advanced thermal management system for power battery.

热管理是发展高性能动力电池系统的基础性关键技术，也是工程热物理领域的研究前沿和热点。本项目针对车用动力电池系统热特性、热传输及热管理机制，拟开展：（1）研究电池动态传热过程的热-电-流-固多场耦合机制，建立电池动态传热特性分析多场耦合模型，发展基于动态传热分析的电池热管理结构优化设计方法；（2）研究电池关键结构参数、车用典型工况变化与温度变化时滞效应的耦合机制，建立电池温度时滞效应分析模型，发展考虑电池温度变化时滞效应的热管理控制策略及方法；（3）探索平板热管内部结构及散热扰流结构与流动、传热特性的耦合机制，发展电池平板热管高效低阻强化传热流动控制新方法；（4）探索大型电池及固态电池动态热特性与结构及散热的关联机制，材料热特性及其对界面效应和电池性能的影响机制，发展大型电池及固态电池动态热特性分析与控制电池材料结构的热设计方法。研究成果将为动力电池热管理系统设计提供基础理论和关键技术支撑。

动力电池是发展电动汽车的核心和关键，温度是影响动力电池性能、安全性和寿命的关键因素，控制温升、减小温差和低温加热的热管理，是动力电池研发的重点。电池能量密度、充电速率和环境适应性等要求的不断提高，以及固态电池的研发，传统电池热管理理论与方法面临巨大挑战。本项目针对车用动力电池热管理研究迫切需要解决的关键挑战和瓶颈问题，揭示电池热场特性的影响机制、建立电池热场特性分析仿真模型、发展热管理设计与控制新方法，探索热管理强化传热新原理，为开发高性能锂离子电池以及研发先进固态电池提供完善的热管理基础理论依据和关键技术支撑。.第一部分工作可归纳为电池单体动态热特性研究。完成了电池动态热特性多维度-多场耦合建模，综合考虑温度、SOC及电流对电池内阻的影响，建立了热模型，可用于预测动态工作条件下的温度变化，模型预测的精度误差从16.52%降低至4.02%；提出电池介尺度建模方法，实现精确三维温度场仿真，计算平均误差在0.8℃内；建立了电池多维温度在线估计方法，针对不同空间位置的最终温度重构误差在1.5%以内；建立了多支路电池模组中的电流分配与温度分布模型，与热-流动仿真结合，模组的温度分布的预测精度误差小于4.02%；首次实现固态电池全工况的精细化建模，其中温度预测误差可控制在±0.3℃，并发展固态电池热管理系统设计方法。.第二部分工作可归纳为热管理结构设计、强化传热及动态控制研究。基于平板热管相变传热动态热特性机理，进行强化传热研究，提出了平板热管-电池组仿真计算模型，在稳态和动态工况下均具有较好的计算精度，与传统冷却方式相比，电池组温升从27℃降至11℃，温差从14.1℃降至2.04℃；探究平板热管多尺度结构参数对传热性能及电池组热特性的影响机理，提出非均匀毛细芯的平板热管设计新结构，使电池组最大温差降低超50%并控制在2℃内；研究了热管冷端散热翅片布置方式和热管理条件对平板热管电池包换热性能的影响规律，发展了平板热管电池包动态热管理控制方法；完成了多种电芯基于平板热管的模组/电池包集成与开发，并在台架/整车完成试验。.本项目深入研究电池热场分布、热传输机理和热管理策略，首次建立了平板热管式动力电池热模型，探讨了电池单体热特性精细化建模，对提升电池系统的安全性、功率密度等关键指标和促进新一代先进固态电池的研发具有重要意义。