新能源汽车动力电池包液冷散热特性仿真研究

摘要

随着全球化石能源日益枯竭、生态环境严重污染与新能源电动汽车迅猛发展，迫切需要寻找一种能够替代化石燃料的清洁能源。锂离子电池凭借自身单体电压高、比能量大、适宜工作温度范围大、使用寿命长等优点成为了替代化石燃料的首要选择。但是频繁发生的热安全性问题严重阻碍着电动汽车的发展，电动汽车行驶过程中，锂离子电池温度必须处于安全范围(-20℃～50℃)，同时电池温差不超过一定数值(5℃)。
　　本文首先使用实验设备对电池内阻、电池开路电压进行了测试，依靠理论公式计算得出电池的热物性参数;然后使用所得参数建立起电池在不同放电倍率下的热仿真模型，依靠放电实验验证了仿真结果的准确性。结果表明采用小倍率放电的锂离子电池组温度具有十分良好的均衡表现，最高温度出现在邻近正极区域，而空气气隙区域温度值最低。随着电池放电倍率不断增加，内部温度均衡性也越来越差。
　　通过改变电池放电倍率、冷却液体流速、冷却流道几何结构、流道进出口布置等因素对锂离子电池液冷模组进行热分析。结果表明，增大冷却液体流速能够有效降低锂离子电池最高温度和温差，当冷却液体流速增大到一定范围之后，这一种影响开始减弱;增大流道数量，同样能够有效降低锂离子电池组最高温度与温差，这一种影响同样会随着流道数量增加而呈现下降趋势;增大矩形流道的长宽比能够降低锂离子电池组的最高温度，在1C、2C倍率放电下，采用长宽比例为5∶1的矩形流道时，最高温度分别比采用圆形流道时降低了0.58K、2.1K;采用交替的进出口流道能够取得更加优异的均温效果。
　　对锂离子电池包液冷模型进行热仿真并分析温度规律，电池包所使用的冷板具有五条长宽比例为3∶1的矩形流道。结果显示，锂离子电池包的最高温度处于电池包中心区域，数值为317.87K，最低温度与最高温度相差2.57K，符合锂离子电池使用要求。改变冷却液体流速与温度对电池包的最高温度进行研究，并针对冷却液体流速、冷却液体温度、电池放电倍率之间的交互作用，设计出反向传播神经网络，对锂离子电池包液冷模型最高温度进行精确的预测。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 电动汽车用锂离子电池的研究背景

1．2 锂离子电池常用散热系统

1．2．2 相变材料与热管冷却散热系统

1．2．3 液体冷却散热系统

1．3 锂离子电池散热研究的国内外发展现状

1．3．1 锂离子电池散热的国外研究现状

1．3．2 锂离子电池散热的国内研究现状

1．4 研究内容

第二章 锂离子电池热分析理论及参数测试

2．1 锂离子电池的基本原理

2．2 锂离子电池热分析理论

2．2．1 传热的定义

2．2．2 热扩散方程

2．2．3 边界条件

2．2．4 锂离子电池的生热机理

2．3 液体冷却理论

2．4 锂离子电池热物性参数测量与计算

2．4．1 电池内阻测试

2．4．2 电池开路电压测试

2．4．3 电池热物性参数获取

2．5 本章小结

第三章 锂离子电池三维热仿真分析

3．1 单体锂离子电池三维热仿真分析及实验

3．1．1 电池单体的几何模型建立

3．1．2 电池单体的网格划分

3．1．3 电池单体热仿真结果分析

3．1．3 电池生热实验与仿真结果验证

3．2 电池组三维热仿真分析

3．2．1 电池组的几何模型建立

3．2．2 电池组的网格划分

3．2．3 电池组热仿真结果分析

3．3 本章小结

第四章 锂离子电池组的液体冷却分析

4．1 锂离子电池液冷模型的数值模拟

4．1．1 液冷模型的物理模型

4．1．2 液冷模型的网格划分与边界条件设定

4．1．3 液冷模型的数值模拟结果及分析

4．2 不同因素对液冷模型散热性能的影响

4．2．1 冷却介质流速对散热性能的影响

4．2．2 不同流道数量的冷板对散热性能的影响

4．2．3 圆形流道与正方形流道的散热性能比较

4．2．4 等面积矩形流道长宽比对散热性能的影响

4．2．5 流道不同进出口方向对散热性能的影响

4．3 本章小结

第五章 锂离子电池包温度场模拟与预测

5．1 电池包温度场的数值模拟

5．1．1 电池包物理模型建立

5．1．2 电池包液冷模型的网格划分与边界条件设定

5．1．3 电池包的模拟结果与分析

5．1．4 冷却液体流速与温度对电池包最高温度的影响

5．2 人工神经网络对电池包最高温度与温差的预测

5．2．1 人工神经网络原理

5．2．2 人工神经网络模型的建立

5．3 人工神经网络的训练与预测

5．3．1 神经网络的训练

5．3．2 人工神经网络的验证与预测

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况