三元锂离子动力电池热分析及相变材料散热研究

摘要

动力电池是纯电动汽车的核心部件。三元锂电池虽然具有较高的能量密度，但是其在放电过程中存在突出的发热问题，这使它的使用受到了限制。电池的发热会对电池产生一系列不良影响，包括使电池的充放电性能下降、循环寿命降低、容量及一致性水平降低等，进而影响电动汽车的性能及安全性，因此需要对动力电池的发热行为进行分析和对结构进行优化。本文针对纯电动汽车的三元锂离子电池包(PACK)的发热情况进行了相变材料的散热优化研究，其中包括：
　　（1）为了建立电池的发热及散热模型，研究动力电池在实际工况下的发热及散热行为，本文进行了多项实验以获取电池的参数，其中包括：一、对实验所用微型纯电动汽车在转鼓试验台上进行循环工况的测试实验，得到电池表面温度数据和电动汽车母线电流数据；二、运用混合动力脉冲能力特性(Hybrid Pulse Power Characteristic，简称HPPC)法测试动力电池的内阻，以得出其内阻随温度变化关系曲线；三、对电池单体进行拆解和计算，以了解单体电池内部结构及材料特性参数。
　　（2）根据传热学的方法及计算流体力学的理论，建立电池的发热和散热模型，对模型进行前处理后，将实验获取的参数输入FLUENT对模型进行仿真计算。得到了在城市循环工况下锂离子动力电池的温度变化情况，将仿真数据与实验数据进行对比，结果显示锂离子电池发热散热仿真结果与实验结果比较吻合，说明所建立的发热散热分析模型是准确有效的。
　　（3）在前文分析的基础上，探讨运用相变材料作为散热介质的三元锂离子电池热管理的方法。通过设计相变材料的填充结构，仿真分析处于不同环境下的散热效果，并与自然冷却的模型进行对比。结果表明，采用相变材料(Phase Change Material简称PCM)热管理措施的模型具有更好的散热效果，且电池无明显局部过热现象。
　　本文的研究结果表明，三元锂离子电池在自然条件下进行城市循环工况运行时有明显的发热现象。通过理论研究表明，采用相变材料热管理方法能有效改善这一状况，实现电池PACK在城市循环工况下温度的均匀分布，有利于电池的使用。本文的研究将为今后三元锂电池采用相变材料热管理方法的设计及应用提供理论指导。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 本文的研究背景

1.2 三元锂离子电池热管理研究的目的和意义

1.3 锂离子电池热管理技术种类及发展现状

1.4 本论文的研究内容

第2章 锂离子电池的发热效应分析

2.1 锂离子电池的工作原理

2.2 锂离子电池的生热机制及传热特性

2.3 基于流场温度场数学模型的电池热分析

2.4 本章小结

第3章 锂离子电池温升测试及发热散热特性参数获取

3.1锂离子电池发热分析及电池负载参数测试分析

3.2 锂离子电池的内阻实验及数据处理方法

3.3 单体电池内部结构的分析及参数的计算

3.4 本章小结

第四章 锂离子电池热分析模型的建立和验证

4.1 建立电池的三维模型

4.2 模型的前处理

4.3 模型的后处理

4.4 本章小结

第五章 锂离子电池相变材料散热分析及影响因素研究

5.1相变材料的定义及特性

5.2 相变材料的选取

5.3 基于相变材料的电池PACK结构改进设计

5.4 模型的仿真计算

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文