某款车用锂电池生热特性与电池包仿生散热优化研究

摘要

作为唯一动力输出的储能元件—电池，其性能好坏直接影响到纯电动汽车的发展前景。但电池的热失控问题成为制约其发展的瓶颈，使其一直限用于某些特定范围。热量积累不及时散去导致电池包内部温度不断升高，不仅会降低纯电动汽车的续航里程和电池的使用寿命，甚至导致电池自燃或爆炸。因此，对电池包散热结构进行改进与设计优化研究是提高纯电动汽车续航里程、电池使用寿命及安全性能的重要手段，同时，也对推动节能减排、促进纯电动汽车行业的发展具有十分重要的意义。　　为了改善电池工作环境，有效控制电池包内部温度，本文以某款在用纯电动汽车的电池包为研究对象，建立电池包三维仿真模型，通过实验和仿真对锂电池单体进行温升特性研究；在此基础上，模拟分析多工况下电池包内部的温升变化，并对风冷散热结构进行改进研究；基于仿生学原理提出一种基于液冷的仿生散热结构，开展以冷却工质流速和初始温度为变量的优化研究，最终有效控制了电池包内部温度。主要研究内容如下：　　1.分析锂电池单体的结构特点、工作原理及生热机理，建立锂电池单体仿真模型，通过实验与仿真相结合的方法分析单体电池的生热特性，实验与仿真结果对标项误差均在 5%以内，验证了模拟仿真的准确性与可行性，为后续章节提供了仿真方案；　　2.以某款在用纯电动汽车电池包结构参数为基础，建立电池包三维仿真模型，分析锂电池实际工况下的传热方式，采用 CFD 技术对电池包进行仿真模拟；　　3.根据仿真结果，分析多工况下电池包内部温度变化情况，爬坡工况温度高达 335.6K，确定为极端工况下，针对散热能力不足问题开展电池包风冷散热结构改进研究；　　4.根据仿生学理论提出一种基于液冷的仿生散热结构的设计方法，设计建立四种仿生散热拓扑结构，对四种结构的温度场进行模拟仿真，对比分析四种仿生散热结构的散热性能，结果表明不同的仿生散热结构散热都可以将温度控制在320K以内，但蜘蛛网型的温度一致性更好；　　5.以添加挡板的风冷散热结构为基础，建立增加基于液冷的蜘蛛网型仿生散热结构仿真模型，在极端工况下对电池包温度场进行模拟仿真，结果表明电池包内部高温明显改善，但单体电池间温度分布不均匀，温差超过 5K；继续开展以液冷工质的流速和初始温度为变量的优化研究，最终有效将电池包内部温度控制在 317.9K 以内，单体电池之间的温差控制在4.7K以内，实现了提高纯电动汽车续航里程、电池性能及安全性能目标。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 散热方式研究现状

1.2.2 生热特性研究现状

1.3 仿生散热研究现状

1.4 本文的主要研究内容与文章结构

第二章 单体锂电池生热特性与数值模拟研究

2.1锂电池基本特性

2.1.1 锂电池的结构特点

2.1.2 锂电池工作原理

2.2锂电池生热机理分析

2.2.1 反应热

2.2.2 欧姆热

2.2.3 极化热

2.2.4 副反应热

2.3 锂电池单体生热实验研究

2.3.1 锂电池单体温升实验

2.3.2 实验结果分析

2.4 计及热辐射的锂电池生热仿真分析

2.4.1单体锂电池几何模型建立与网格划分

2.4.2 边界条件确定

2.4.3 仿真结果分析

2.5本章小结

第三章 锂电池包热特性与风冷结构改进研究

3.1电池包模型建立

3.1.1 纯电动汽车整车基本参数

3.1.2 建立电池包几何模型

3.2 锂电池传热方式

3.2.1 热传导

3.2.2 热对流

3.2.3 热辐射

3.3 多工况电池包热特性研究

3.3.1 仿真工况分析

3.3.2 匀速直线工况

3.3.3 匀速爬坡工况

3.3.4 匀加速工况

3.3.5 结果对比分析

3.4 电池包风冷散热结构改进研究

3.4.1 电池包风冷散热结构改进设计

3.4.2 风冷散热结构改进仿真分析

3.5 本章小结

第四章 仿生散热结构设计研究

4.1 仿生散热结构设计方法

4.1.1 液冷仿生散热结构模型建立

4.1.2 仿真方案与网格划分

4.2 仿生散热结构仿真研究

4.2.1 平行叶脉

4.2.2 昆虫翅脉型

4.2.3 蜂窝型

4.2.4 蜘蛛网型

4.2.5 结果对比分析

4.3 本章小结

第五章 基于液冷的电池包仿生结构散热优化研究

5.1 电池包仿生散热结构模型建立

5.2 电池包仿生散热结构温度场仿真分析

5.2.1 边界条件设置

5.2.2 仿真结果分析

5.3 电池包仿生结构散热优化研究

5.3.1 冷却工质流速对散热性能的影响

5.3.2 冷却工质流速对压降的影响

5.3.3 冷却工质初始温度对散热性能的影响

5.3.4 结果分析

5.3.5 最终优化方案

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

全文总结

创新点

展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢