锂离子电池热管理系统的全局敏感性分析及多目标优化设计

摘要

动力电池的好坏与电动汽车的许多性能(如续航里程，循环寿命，经济性和动力性)密切相关，也是制约电动汽车发展的关键。锂离子电池凭借诸多优势成为了当今电动汽车动力电池的首选。但是，锂离子电池在极端运行工况下产生的热量会急剧增加，这些热量如果得不到及时排放，电池包的温度会急剧上升，一旦超出最佳工作温度范围(20℃-45℃)，很有可能会导致电池包发生自燃，爆炸等危害驾驶员生命安全的严重后果。因此，一个高效的热管理系统对保证锂离子电池正常工作，提高电动汽车的使用性能具有重大意义。　　本文提出了一种混合式的热管理方案，该方案是基于强制空气冷却方案，并结合了相变材料的高潜热特性和热稽的高导热率特性。首先通过搭建锂离子电池试验平台，获得了不同充放电条件下的试验数据，并采用有限元软件COMSOL对电池热模型和产热速率模型进行仿真模拟，通过对比试验和仿真结果确定了电池的热物性参数。接着采用基于多参数解耦技术的近似建模方法对电池包的设计参数进行全局敏感性分析，有效剔除了对电池包温度性能不敏感的设计参数，设计参数之间耦合性分析结果显示，不同物理场参数之间的耦合效应对电池包的性能影响不大，表明可以对不同的物理场参数进行独立分析。相对于常用的参数化研究方法，该方法有效地减少优化问题的维数，大大缩减了优化成本。最后采用多目标粒子群算法对电池包进行多目标优化设计，优化结果显示，在高倍率放电条件下，优化后的电池包的工作温度没有超过最佳的温度范围，但仍无法满足对最佳温度均匀性的需求。　　为了解决上述缺陷，本文综合分析了进出风口的位置、数量以及尺寸等因素对电池包散热性能的影响，并对电池包的进出风口进行了改进，确定了最终设计方案，通过仿真发现该方案能进一步降低电池包的最大温度，但对温度不均匀性的改善效果仍然不够理想。因此，本文通过进一步研究不同冷却空气流动速度、不同放电倍率，以及高/低倍率循环充放电过程对电池包散热性能的影响，仿真结果表明在不同倍率放电条件下，电池包的散热效果只需适当调整冷却空气的流速即可满足要求，并且随着放电倍率的增大而愈加明显；即使在连续的高倍率充放电循环过程中，优化后的电池包仍能保持良好的冷却效果。最后，在不同环境温度条件下，对电池包的散热性能进一步分析，并提出相应的冷却方案优化策略，增强了电池包在全温度范围的适用性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 电动汽车的发展现状

1.2 动力电池的发展现状

1.2.1 电动汽车对动力电池的要求

1.2.2 各类动力电池的发展趋势

1.3 动力电池热管理技术的发展现状

1.3.1 热管理技术的必要性

1.3.2 空气散热技术

1.3.3 液体散热技术

1.3.4 相变材料散热技术

1.3.5 热管散热技术

1.4 敏感性分析理论研究现状

1.5 本文主要研究内容

1.5.1 问题的提出

1.5.2 主要研究工作

第2章 电池热管理系统相关理论基础

2.1 引言

2.2 锂离子电池结构及工作原理

2.2.1 锂离子电池基本结构

2.2.2 锂离子电池工作原理

2.3 锂离子电池生热机理与传热特性

2.3.1 生热机理分析

2.3.2 传热特性分析

2.4 计算流体动力学相关理论

2.4.1 计算流体动力学简介

2.4.2 流体动力学控制方程

2.5 相变材料相关理论

2.6 基于多参数解耦技术的近似建模理论

2.6.1 实验设计方法

2.6.2 多参数解耦技术

2.6.3 近似模型评价准则

2.7 锂离子电池温度性能试验研究

2.7.1 电池充放电实验平台

2.7.2 电池温度的测量

2.7.3 电池开路电压与温熵系数的测量

2.8 锂离子电池热模型及热物性参数的确定

2.8.1 热模型的建立

2.8.2 电池活性材料密度

2.8.3 电池比热容

2.8.4 电池导热系数

2.8.5 电池产热速率

2.8.6 热物性参数的确定

2.8.7 对流换热系数的确定

2.8.8 热模型准确性的校验

2.9 本章小结

第3章 电池热管理系统的全局敏感性分析及优化设计

3.1 引言

3.2 电池组散热模型的建立

3.2.1 散热结构的选型与设计

3.2.2 建模与边界条件的设置

3.3 不同热管理方式下的电池组散热效果分析

3.3.1 不同热管理方式下电池组最大温度的对比

3.3.2 不同热管理方式下电池组最大温差的对比

3.3.3 不同热管理方式下电池组内各单体电池的温度性能分析

3.4 电池组的优化研究

3.4.1物理模型的建立

3.4.2 网格划分

3.4.3 相变材料的选择

3.5 电池组的全局敏感性分析

3.6 电池组多目标优化结果及分析

3.6.1 优化结果

3.6.2 结果分析

3.7 本章小结

第4章 电池热管理系统优化后的性能研究

4.1 引言

4.2 电池包进出风口的进一步优化设计

4.2.1 不同进出风口位置布置方案及仿真分析

4.2.2 不同进出口数量布置方案及仿真分析

4.2.3 进出风口改进方案及仿真分析

4.3 不同气体流速下散热性能分析

4.4 不同放电倍率下散热性能分析

4.5 不同充放电循环下散热性能分析

4.6 不同环境温度下散热性能分析及优化策略

4.6.1 不同环境温度下散热性能分析

4.6.2 不同环境温度下的冷却方案优化策略

4.7 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文