新能源汽车用锂电池热管理系统研究

摘要

汽车产业蓬勃发展，能源消耗加剧，城市雾霾天气频繁，评价空气质量的PM2.5指数居高不下，汽车排放的尾气成为导致空气污染的众矢之的，新能源汽车在节能、减排方面具有双重优势，成为汽车工业新的发展方向。《中国制造2025》明确了节能与新能源汽车将成为汽车技术创新的爆发点，也将成为我国汽车工业发展的新着力点。动力电池作为新能源汽车的核心动力部件，其在充电、放电时因内部反应所产生的热量导致电池温度升高，电池内部温度和电池模块间的温度均匀性影响着电池使用性能和循环寿命，尤其对于汽车大功率需求或恶劣工况下，对电池性能稳定要求更高。因此，为保证新能源汽车动力电池组的散热需求和工作可靠性、安全性，开发一种行之有效的电池热管理系统，设计一种稳定、高效的电池散热结构对于提高动力电池的整体性能意义重大。
　　本文在概述了电池热管理系统主要技术，总结了电池进行空气冷却、液体冷却和相变材料冷却以及生热特性研究现状的基础上，对新能源汽车的电池组散热系统研究开展相关工作。
　　首先概述了磷酸铁锂电池的内部结构、反应原理和工作时的生热机理和传热特性。对单体电池生热速率计算所需电池内阻进行了温度影响和核电状态影响的分析，并曲线拟合它们之间的关系。
　　从电池非稳态传热模型出发，建立了方形单体电池的数值计算模型，根据电池生热速率的曲线拟合公式，利用ANSYS-Fluent的UDF编译并加载电池内部生热，对单体电池不同倍率放电情况下的温度变化进行了仿真计算，并进行了实验验证。
　　借助AVL-Cruise软件搭建新能源汽车仿真模型，利用MATLAB/Simulink建立了电池组的生热模块，通过Cruise中MATLAB DLL接口，进行不同循环工况下整车性能联合仿真，得到电池组的电流和SOC的实时变化曲线，同时得到了其在循环行驶工况下的生热速率和生热量。
　　采取CFD分析方法，建立电池组液冷散热系统模型，分析冷流体在冷却通道内的流动情况和电池的温度变化。基于原始模型仿真分析结果，分析其所存在的问题并进行散热系统冷却通道结构优化，并对改进方案温度场和流场进行仿真分析和对比评价。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2 电池热管理系统概述

1．3 电池热管理系统研究现状

1．3．1 空冷式散热研究现状

1．3．2 液冷式散热研究现状

1．3．3 相变材料电池散热研究现状

1．4 电池热特性研究现状

1．5 论文主要研究内容

第二章 锂电池热特性分析和内阻拟合

2．1．1 锂电池结构

2．1．2 锂电池工作原理

2．2 锂电池的生热机理分析

2．3 电池传热特性分析和内阻拟合

2．3．1 电池传热特性分析

2．3．2 内阻特性分析和测量方法

2．3．3 内阻的数据拟合

2．4 本章小结

第三章 锂电池热模拟模型构建与试验验证

3．2 计算锂电池热物性参数

3．2．1 比热容

3．2．2 电池导热系数

3．3．2 边界条件设置

3．3．3 电池热源的UDF程序编写和加载

3．4 单体电池瞬态温度场分析和实验验证

3．4．2 电池热模型实验验证

3．5 本章小结

第四章 基于AVL-Cruise的电池组典型工况下的动态性能研究

4．1．2 整车模型搭建

4．1．3 电机模型

4．1．4 电池模型

4．2 基于AVL-Cruise和MATLAB／Simulink联合仿真的电池热分析

4．2．1 Simulink仿真模块建立

4．2．2 温度计算模块

4．2．3 编译和联合仿真

4．3 新能源汽车行驶工况性能仿真

4．3．1 计算工况

4．3．2 JA1015循环工况仿真结果

4．3．3 HWFET循环工况仿真结果

4．4 本章小结

第五章 电池散热系统仿真分析和结构优化

5．1．1 电池组散热结构模型

5．1．2 电池组散热系统网格模型

5．1．3 计算模型和边界条件

5．2 仿真结果分析

5．3 散热系统结构优化

5．3．1 散热系统进出口改进方案

5．3．2 散热系统冷板结构改进方案

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文