新能源汽车用锂动力电池热管理系统研究

摘要

气候变暖、环境恶化、化石能源匮乏等全球性问题正日益引起人们的关注，新能源汽车凭借其节能、环保、低噪音等优势，近年来逐渐由概念走向产业并正式蓬勃发展起来。动力电池作为目前新能源汽车的主要能量来源，是其最为核心的环节。动力电池除了需要满足能量密度高、倍率性能好、循环寿命长、续驶里程长等要求外，其安全性能更是必须得到充分的保证。电池的安全问题本质上是热量与温度的问题，如果电池工作时产生的热量不能及时散出从而导致其温度过高，轻则造成电池性能快速下降，加速寿命衰减；重则可能进一步引起电池热失控，引发火灾，严重威胁人身财产安全。因此，对动力电池热管理系统进行研究是十分必要的。 本文针对一款方形铝壳三元锂动力电池，通过理论分析、数值模拟与试验测试相结合的方法，对电池热特性及模组散热结构进行了研究。主要工作如下： 首先，通过国内外相关文献充分了解了电池热管理系统的主要研究内容与各种技术路线的研究现状，介绍了不同种类锂离子电池的结构、性能特点以及锂电池生产工艺对其热安全性的影响，并通过对锂离子电池的工作原理、生热机理及传热机理进行分析，为后文研究提供了理论基础。 其次，对本文电池的热物参数及生热速率进行了计算，并以此建立了电池三维热模型，根据电池单体及模组的温度场仿真结果，确定了该电池的前后表面为最佳散热面，并阐明相等的散热面积和同等的流动状态是保证模组热均衡性的关键。 随后，基于上述要点设计了两种基于并行风冷散热的模组结构，并通过CFD流体力学仿真对其散热性能进行对比，结果表明本文尝试性提出的阶梯式模组结构在节省空间、提升系统能量密度的同时，依然保持有良好的散热表现，为实际工程应用提供了一定的参考。 最后，通过电池充放电试验探究了电池部分性能参数与温度之间的相对关系，并利用25℃下不同倍率放电时的电池温升数据对所建电池热模型进行了验证，结果表明模型对于电池的温度分布、终点时刻温度以及过程温度均能进行比较准确的模拟。

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ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 新能源汽车发展背景及现状

1.2 动力电池的分类及特点

1.3 电池管理系统主要作用

1.4 电池热管理系统研究现状

1.4.1 电池热管理系统的必要性

1.4.2 电池热模型研究现状

1.4.3 电池冷却技术研究现状

1.5 主要研究内容

第二章 锂离子动力电池生热及传热机理分析

2.1 锂离子电池内部结构及工作原理

2.1.1 锂离子电池的分类

2.1.2 锂离子电池的制造工艺流程

2.1.3 锂离子电池的工作原理

2.2 锂离子电池生热机理分析

2.3 锂离子电池传热机理分析

2.4 本章小结

第三章 锂动力电池热模型建立及仿真分析

3.1 动力电池热数学模型建立

3.1.1 电池内部导热微分方程推导

3.1.2 单值性条件

3.1.3 热物参数获取

3.1.4 电池生热速率计算

3.2 单体电池温度场仿真分析

3.2.1 仿真流程及条件设置

3.2.2 不同放电倍率下的电池温度场分布情况

3.2.3 选取不同换热表面时电池的温升情况

3.3 锂动力电池模组自然对流下温度场仿真分析

3.4 本章小结

第四章 锂动力电池模组冷却分析

4.1 CFD理论研究

4.1.1 CFD技术与Fluent软件介绍

4.1.2 CFD流体数学模型

4.2 模组结构设计及仿真设置

4.2.1 方案一结构模型

4.2.2 方案二结构模型

4.2.3 仿真流程及参数设置

4.3 仿真结果及方案对比分析

4.3.1 方案一不同风速下的仿真结果

4.3.2 方案二不同风速下的仿真结果

4.3.3 方案对比分析

4.4 本章小结

第五章 试验与分析

5.1 电池充放电试验

5.1.1 试验对象

5.1.2 试验目的

5.1.3 试验设备及原理

5.1.4 试验步骤

5.2 试验结果分析及模型验证

5.2.1 试验数据处理及分析

5.2.2 热模型验证

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结：

6.2 不足与展望