电动汽车锂离子电池组无机超导热管散热性能研究

摘要

近年来，随着石油资源的枯竭和环境问题目益恶化，以石油资源为动力的传统内燃机汽车将面临严峻的挑战。新能源汽车的开发已成各大汽车公司关注和研发的焦点，一些国家已经或即将出台新的政策鼓励和支持电动汽车及相关部件的发展。锂离子电池因其比能量高、体积小、循环寿命长、环境污染小等优点在未来将取代镍氢等电池成为电动汽车主要动力来源。锂离子电池在使用过程中产生大量的热，电池温度过高影响电池的性能同时也会产生相应的安全问题。传统的风冷由于风机消耗电池大量的电能，缩短了汽车的里程，为了解决传统风冷的不足，本文采用无机超导热管和散热翅片组成的热管散热器利用汽车行驶过程中的风来给电池组散热。
　　本文以中央高校基本科研业务费专项资金重点基础理论项目工业低品位热源无机热超导高效回收基础研究[531107040300]为依托，结合已有的传热基础理论及实验成果，采用仿真模拟与实验的方法，论文的主要工作和创新点如下：
　　(1)建立散热翅片三维仿真模型，对散热器空气侧传热性能进行了数值模拟。计算出不同结构参数的散热翅片的散热能力，分析了翅片间距和翅片厚度对整个散热性能的影响规律并以此为依据对翅片结构进行优化，获得最佳结构参数。
　　(2)建立电池组三维仿真模型，在电池箱最佳的位置设置开口，改善流体流动性，并在锂离子电池不同产热率工况下进行稳态仿真计算，结果表明热管散热器具有良好的散热性能。利用用户自定义函数(UDF)编写锂离子电池产热功率随时间变化对模型进行非稳态仿真，模拟电池温度的变化过程。锂离子电池最高温度没超过50℃，电池之间的温差控制在5℃以内。
　　(3)为检验仿真结果的准确性，按照仿真设置的条件对该散热系统进行实验研究，同时设计了强制风冷和自然放置两种冷却方案与热管散热器进行对比，表仿真结果与实验结果吻合比较好，该方案满足锂离子电池组的使用要求，对比结果表明，无机超导热管散热器具有良好的散热性能。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究的背景

1.2 电动汽车国内外发展概况

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展情况

1.3 锂离子动力电池的发展现状

1.3.1 锂离子电池特点

1.3.2 锂离子电池研究进展

1.3.3 锂离子子电池组散热研究的必要性

1.3.4 电池组散热研究现状

1.4 热管散热技术

1.4.1 热管散热机理

1.4.2 热管冷却特点

1.4.3 热管技术发展及应用现状

1.4.4 无机超导热管技术

1.5 本文的主要研究内容与文章结构

第2章 散热翅片结构参数选取

2.1 计算流体力学(CFD)

2.1.1 计算流体力学基本控制方程

2.1.2 计算工具——FLUENT软件介绍

2.1.3 FLUENT求解过程

2.2 数值计算

2.2.1 几何模型建立

2.2.2 边界条件设置

2.3 三维模型数值计算结果与分析

2.3.1 翅片间距的影响

2.3.2 翅片厚度的影响

2.4 散热翅片结构设计

2.4.1 翅片的厚度

2.4.2 翅片的间距

2.5 本章小结

第3章 锂离子电池组温度场仿真分析

3.1 锂离子电池热特性研究

3.1.1 锂离子电池温度特性

3.1.2 锂离子动力电池产热率计算方法

3.1.3 单体电池产热率计算模型

3.1.4 电池产热率计算

3.2 电池箱内传热分析

3.2.1 热传导

3.2.2 热辐射

3.2.3 热对流

3.3 锂离子电池组散热数值计算模型

3.3.1 几何模型

3.3.2 网格划分

3.3.4 基本假设

3.4 数值计算条件

3.4.1 空气物理模型

3.4.2 求解器的选择

3.4.3 边界条件设置

3.4 仿真结果与分析

3.4.1 电池温度分布

3.4.2 电池箱内流场分析

3.4.3 布置进出口

3.5 改进后的模型仿真分析

3.5.1 流场分析

3.5.2 温度场分析

3.5.3 不同工况下车用锂离子电池组散热性能模拟分析

3.6 电池组非稳态仿真

3.6.1 确定新的边界条件

3.6.2 仿真结果与分析

3.7 本章小结

第4章 锂离子电池组温度场实验测试

4.1 实验目的

4.2 实验仪器设备

4.3 实验内容

4.3.1 实验步骤

4.3.2 实验结果与分析

4.3.3 实验和仿真结果对比分析

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间发表的论文及参与课题

致 谢