纯电动汽车锂离子电池热效应及电池组散热结构优化

摘要

纯电动汽车结构简单，维修方便，操作性能好，与传统燃油汽车相比具有无振动、无噪声、无排放污染等优点，发展前景广阔，已成为未来汽车行业重要发展方向之一。动力电池作为纯电动汽车的唯一储能元件，直接影响到纯电动汽车的整车性能。锂离子电池具有电压平台高，能量密度大、功率密度高、循环寿命长、自放电率低、污染少等优点，成为纯电动汽车的优选电池。
　　在纯电动车辆正常运行中，锂离子动力电池组伴随着充放电会产生大量的热，如果这些热量不能够及时散失掉将导致电池组内部温度不断升高及温度分布不均匀，从而降低电池的使用性能、循环寿命及安全性。所以，为保证电池性能的稳定性,既要使得电池组的工作温度保持在适宜的临界温度之下，也要控制内部温差在一定范围内。因此，建立电池热效应分析的理论模型，利用数值仿真技术（CFD）模拟计算电池单体和电池组在不同使用条件下的温度场分布,预测电池组散热性能并进行散热结构优化，对电池性能的充分发挥具有重要的现实意义。本文运用实验验证和CFD技术相结合的方法，分析了不同条件下锂离子电池单体的温升，基于不同循环工况分析了电池组动态性能，并对锂离子动力电池组的温度场进行了建模和数值计算，最后提出了使电池组散热流场和温度场分布均匀的改进措施。
　　本文研究工作主要有以下几方面：
　　①对不同充放电倍率下锂离子电池单体温升进行实验分析，并对其不同温度下充放电过程内阻变化和开路电压变化进行测试研究；
　　②分析锂离子电池的发热机理和传热特性，根据传热学理论建立了锂离子电池热效应模型，并对电池单体充放电过程温度场分布进行了数值模拟；
　　③借助汽车仿真软件ADVISOR建立了锂离子电池组仿真模型，对不同循环工况及特殊工况下电池组动态特性进行仿真分析，并利用该模型得到了电池组实时生热速率及生热量变化；
　　④采用 CFD技术，对纯电动汽车用锂离子电池组原始散热结构的流场和温度场进行了数值模拟分析，为验证温度场模型的合理性和仿真结果的准确性，对锂离子电池组进行了现场温度场实验测量，并对实验结果和仿真结果进行比较。最后提出了优化锂离子电池组散热系统流场和温度场分布的改进方案。

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1 绪 论

1.1 电动汽车发展概述

1.2 纯电动汽车用锂离子动力电池的研究

1.3 论文主要研究内容

2 纯电动汽车锂离子电池热特性实验及数值分析理论

2.1 锂离子动力电池结构及基本原理

2.2 锂离子动力电池的特点分析

2.3 锂离子电池生热机理分析

2.4 单体锂离子动力电池热效应实验

2.5 CFD仿真理论及其在动力电池热分析中的应用

2.6 本章小结

3 单体锂离子电池充放电过程热效应仿真分析

3.1锂离子动力电池三维热效应模型的建立

3.2 单体锂离子动力电池数值模拟

3.3结果与分析

3.4 本章小结

4纯电动汽车典型工况下锂离子电池组动态性能研究

4.1纯电动汽车整车技术参数

4.2 ADVISOR软件基础介绍

4.3 纯电动汽车仿真模型的搭建

4.4纯电动汽车仿真及动力电池生热特性分析

4.5 本章小结

5 锂离子动力电池组热仿真及散热结构优化设计

5.1 锂离子动力电池组原始模型温度场瞬态仿真分析

5.2 电池组温度场实验

5.3 锂离子动力电池组散热结构优化及CFD分析

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附 录