软包锂电池产热模型及其波纹冷板散热研究

摘要

电动汽车作为新一代汽车产业发展的热点，近年来得到了世界各国的大力支持和重视，特别是在我国，重视发展电动汽车被视作“弯道超车”的技术革新之路。因此，作为电动汽车动力心脏的动力电池，其热管理问题也越来越重要，热管理性能的好坏将会直接影响到电动汽车的动力性、续航里程、寿命以及安全性能。而近年来受动力电池集成的影响，需要液冷散热才能更好的满足更大动力的电池包散热要求。而要处理好动力电池包的热特性，首先需要研究锂电池的产热情况，其次需要合适的冷却模式，从而分析电池包散热效果是否合理。　　本文采用LG公司的软包锂电池作为基础研究对象，其主要工作如下：（1） 阐述软包锂电池的结构和工作原理，并基于Bernadi的产热公式确定内核产热模型，正负极耳则采用恒定热源；并依据传热学相关理论阐述不同冷却模式下的传热机理。最后则阐述了CFD数学模型的相关基本理论。　　（2） 利用实验设备，搭建充放电试验台，确定实验方案，记录电压、电容等在不同环境温度和放电倍率下随时间的变化数据，并通过数据整理验证环境温度对电动势温度影响系数的可忽略不计，进而研究电动势温度影响系数随SOC的变化规律；另外还包括软包锂电池欧姆內阻、极化內阻随环境温度和SOC变化规律，单体电池在不同环境温度和不同放电倍率下各测点的温度变化曲线。　　（3） 简化电池单体结构，并用CATIA软件依据几何测量数据建立电池单体的几何模型，前处理软件 ANSA划分网格，参考相关资料和计算方法确定电池内核、极耳部分的物性参数。用响应面模型根据实验分析数据确定内核基于Bernadi的产热模型，仿真分析电池单体在不同放电倍率和不同环境温度下的动态热特性分析，并且和实验测试的温升数据对比，最终得出产热模型的精确性。　　（4） 通过改变波纹小通道冷板结构，建立了不同波高和不同波纹角的20个冷板模型，并利用计算流体力学的数值分析方法完成对原有直流小通道冷板和现有波纹冷板的流动和换热性能的分析比较，最终根据压损和换热性能的综合因素得出波高为1mm、波纹角为140度的模型为较优的波纹流道冷板结构。　　（5） 以前三章的研究为基础，研究了波纹小通道冷板电池组散热性能的影响因素，其中包括导热片的材料差异、冷却液的入口温度和入口速度、环境温度。得出：导热片导热系数越大，电池组的温度越低，换热性能越好，但单体电池的温差越大；冷却液的入口温度越高，电池组的降温越差，单体平均温度越高，但温差逐渐降低；冷却液的入口速度越大，电池组的温度降低，但单体温差逐渐增大；环境温度越大，电池组的温度也越高。

目录

1 绪 论

1.1 课题背景及意义

1.1.1 新能源汽车发展背景

1.1.2 电动汽车发展现状与趋势

1.1.3 动力电池发展现状与趋势

1.1.4 电池热管理技术发展现状与趋势

1.1.5 动力电池热管理研究意义

1.2.1 电池产热理论研究概况

1.2.2 液冷板流动与散热特性研究现状

1.2.3 电池模组液冷散热特性研究现状

1.3 主要研究内容与论文结构

2 软包锂电池产热模型及其热平衡理论研究

2.1 概述

2.2.1 液冷电池包的结构系统

2.2.2 锂离子电池的结构

2.2.3 锂离子电池工作原理

2.3.1 电芯生热模型

2.3.2 极耳生热模型

2.4 电池传热机理

2.5.1 数值模拟方法的选择

2.5.2 控制方程的建立

2.5.3 湍流模型计算

2.5.4 流固耦合传热基本模型

2.6 本章小结

3 单体电池热特性实验研究

3.1 概述

3.2 电池单体热特性实验设计

3.2.1 实验台搭建

3.2.2 电池单体温升实验

3.2.3 內阻测试实验

3.2.4 电动势温度影响系数实验

3.3 实验结果分析

3.3.1 电动势温度影响系数的分析

3.3.2 不同工况下电池內阻的变化

3.3.3 单体电池温升实验研究

3.3.4 环境温度对电压变化的影响

3.4 本章小结

4 基于动态内热源的单体电池热特性分析

4.1 概述

4.2 单体电池仿真模型

4.2.1 单体电池物理模型的建立

4.2.2 单体计算模型的建立

4.2.3 电池产热模型的建立

4.2.4 电池仿真计算相关参数确定

4.2.5 网格独立性研究

4.3 单体电池瞬态仿真分析

4.4 仿真结果和实验验证对比分析

4.5 本章小结

5 波纹冷板数值研究

5.1 概述

5.2.1 波纹冷板的物理模型

5.2.2 网格划分

5.2.3 湍流模型的建立

5.2.4 边界条件的设定

5.3 数值模拟结果分析

5.3.1 波高对冷板性能的影响

5.3.2 波纹角对波纹冷板性能的影响

5.3.3 波纹流道冷板换热性能计算分析

5.4 本章小结

6 电池模组液冷散热特性研究

6.1 概述

6.2.1 液冷电池组物理模型

6.2.2 网格模型的划分

6.2.3 建立求解模型

6.2.4 物性参数设定

6.2.5 边界条件和初始条件的设定

6.3.1 导热材料对液冷电池组热特性研究

6.3.2 不同速度入口对电池组的热特性分析

6.3.3 不同入口温度对电池组热特性的分析

6.3.4 环境温度对液冷电池组的影响

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 论文工作总结

7.2 工作展望与建议

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢