纯电动汽车锂电池组温度场研究及散热结构优化

摘要

锂离子电池因为具有电压平台高、比能量、比功率、自放电低、循环性能好、环境友好等优点成为电动汽车和混合动力汽车的主导电源。以锂离子电池为动力的纯电动汽车已经成为国际竞争的热点，国际上主流的汽车公司将于未来几年大力推行基于锂离子电池的电动汽车。很多专家认为，锂离子动力电池就如同今天的石油一样具有重要的战略意义。但是，锂离子电池在使用时产生大量的热量，会导致电池温度升高以及电池组各电池之间温度的不均匀，影响电池的使用性能，严重时甚至影响到电池的寿命及使用安全。因此,采用数值模拟方法分析电池在使用条件下的温度场分布,优化电池组的散热结构，进行散热性能的预测,对提高电池组的使用性能具有重要的现实意义。目前车上电池组散热一般采用风机抽吸式冷却结构。这类结构的一个缺点之一就是抽风机或者吹风机本身消耗电池容量，降低电池的有效利用功率。如果采用自然冷却方式当汽车行驶时，因周围空气与汽车的相对运动，可对锂离子电池组起到冷却作用。本文运用CFD方法对锂离子原始电池组自然风冷时的流场和温度场进行了建模和数值模拟，并从自然风冷不消耗电池容量的结构入手提出使电池组的流场和温度场均匀的优化方案。
　　本文主要做了以下几方面的工作：
　　①基于传热学的三大基本定律建立了锂离子电池组的三维散热模型，并分析锂离子电池的生热机理和传热特性；
　　②利用电动汽车仿真软件ADVISOR建立纯电动汽车主要部件的仿真模型和整车仿真模型，对整车的动力性和续驶里程进行仿真，并利用该模型获得电动汽车各工况下电池组电流变化规律；
　　③采用计算流体力学方法，进行了电动汽车原始锂离子电池组的流场和温度场的数值模拟。在此基础上，提出了锂离子电池组散热结构的优化方案，并进行了优化方案的仿真分析；
　　④为验证仿真分析的准确性，进行了纯电动汽车在匀速行驶工况下锂离子电池组的温度场测量。试验结果与仿真结果呈现一致的变化趋势，表明所建的温度场模型的合理性。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

符号表

1 绪 论

1.1 纯电动汽车及动力电池发展概况

1.2 车用锂电池及电池组散热的研究现状

1.3 论文的研究方法、研究意义、主要内容

2 车用锂电池温度场分析理论研究

2.1 锂离子电池结构及反应原理

2.2 锂电池的发热机理

2.3 温度场分析及计算流体力学基础理论

2.4 本章小结

3 纯电动汽车行驶时电池组的电流变化规律

3.1 整车主要技术参数和设计目标

3.2 电动汽车车辆仿真模型建立及参数设置

3.3 电动汽车车辆仿真参数设置

3.4 循环工况下以及匀速行驶时的电流规律

3.5 本章小结

4 纯电动汽车锂电池组温度场仿真分析

4.1 锂电池组A原始模型的CFD分析

4.2 锂电池组A 的初步优化CFD分析

4.3 锂电池组B原始模型的CFD分析

4.4 锂电池组B改进后模型的CFD分析

4.5 锂电池组C原始模型的CFD分析

4.6 本章小结

5 纯电动汽车实验及电池组温度场试验研究

5.1 锂电池室内测试

5.2 电动汽车的道路测试

5.3 行车时的温度场测试

5.4 纯电动汽车电池组温度仿真与试验结果对比分析

5.5 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