中南地区用热管散热型动力电池热管理系统研究

摘要

近些年来，环境问题和能源危机促使着许多国家政府推出各种激励措施来推动纯电动汽车的快速发展。但是电动汽车广泛采用的锂离子电池对温度极其敏感，必须要进行热管理。热管依靠管内介质的循环相变进行热量传递，是一种高效的换热元件，具有高导热率和不消耗额外能量的双重特点，在热管理领域得到了广泛研究。本文以18650型圆柱形磷酸铁锂电池为研究对象，通过结构以及工作原理分析，从而获得该磷酸铁锂电池的热特性，并依此建立锂电池单体的产热模型，最后针对该电池和中南地区的环境设计了热管型动力电池热管理系统，对该系统的热管理性能进行了仿真分析。　　论文通过理论分析、数值仿真模拟和实验验证相结合的方法，对热管型动力电池热管理系统在高温环境下的散热效果，以及低温环境下的加热效果进行了研究，并在低温环境中对保温材料的作用进行了研究分析。论文主要的研究工作和创新点如下：　　(1)建立了18650型圆柱锂离子电池产热模型，对电池在多个放电倍率下的放电过程进行瞬态仿真，从而获得单体以及电池组的温度分布和温度变化规律。　　(2)基于建立的热管冷凝端散热翅片简化仿真模型构建了热管散热型动力电池热管系统仿真模型，研究了中南地区高温环境下不同放电倍率下的电池温度分布、温度变化以及热管散热型电池热管理系统的特性。研究结果表明，该系统对电池箱的温度和温差有较好的控制效果。　　(3)基于中南地区低温环境对热管散热型动力电池热管系统的电池预热和启动加热效果进行了仿真研究，并对覆盖了泡沫保温材料的热管散热型动力电池热管理系统的电池启动加热效果以及电池停止工作后的保温效果进行了进一步研究分析。结果表明，热管散热型动力电池热管理系统能够使电池在一定内达到合适温度区间，这个时间随着加热空气温度和电池放电倍率而缩短，且保温材料的采用可进一步缩短电池加热的时间并显著降低电池自然冷却的速率。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 动力电池热管理必要性

1.3 动力电池热管理概述

1.3.1 空冷式热管理系统

1.3.2 液冷式热管理系统

1.3.3 热管式热管理系统

1.3.4 其他热管理系统

1.4 本文主要研究内容及框架

第 2 章 锂电池产热及温度分析

2.1 锂电池结构及原理介绍

2.1.1 锂电池结构与基本原理

2.1.2 温度的不利影响

2.2 锂电池产热分析计算

2.2.1 锂电池产热分析

2.2.2 锂电池热物性参数

2.2.3 单体电池产热率计算

2.3 单体电池温度仿真及分析

2.3.1 仿真模拟基本假设

2.3.2 锂离子电池产热模型验证

2.3.3 单体电池几何模型及网格划分

2.3.4 单体电池的温度分布与变化仿真分析

2.4 电池箱温度仿真及分析

2.4.1 几何模型

2.4.2 数值计算条件

2.4.3 仿真结果与分析

2.5 本章小结

第 3 章 中南地区用热管型电池热管理系统设计与仿真

3.1 计算流体动力学

3.1.1 计算流体动力学基本原理

3.1.2 流体网格基本概念

3.1.3 求解器-Fluent 软件

3.2 中南地区用热管型电池热管理系统结构设计

3.2.1 热管理系统整体设计

3.2.2 热管结构设计与参数选取

3.2.3 散热翅片结构设计

3.3 中南地区热管型电池热管理系统仿真研究

3.3.1 几何模型

3.3.2 网格划分与网格独立性验证

3.3.3 基本假设和简化

3.3.4 初始参数与边界条件

3.4 中南地区用热管型电池热管理系统仿真结果与分析

3.4.1基于热管散热的电池箱温度场稳态分析

3.4.2基于热管散热的电池箱温度场瞬态分析

3.4.3不同放电倍率散热性能分析

3.5本章小结

第 4 章 中南地区用低温环境电池热管理系统研究

4.1动力电池加热研究

4.2中南地区用热管型热管理系统加热性能研究

4.3中南地区用保温材料辅助热管加热及保温性能研究

4.4本章小结

结论与展望

参考文献

致 谢