新能源汽车用锂离子电池组热管理系统的研究

论文摘要

在全球能源紧张和环境污染日益严重的压力下，新能源汽车以其节能、环保和高效等优点，获得了广泛的关注。锂离子电池是新能源汽车主要的储能元件，相对其它的二次电池，具有比能量比功率大、能量密度高、放电平台好和使用寿命长等优势，影响着新能源汽车的发展方向。然而，锂离子电池在充放电过程中产生大量的热，若不能及时散出，会使电池模块的温度急剧上升，并引起模块内部很大的温度梯度，对电池的安全和放电性能造成损伤，这些都可以归因于电池内部的产热效应。所以为了使锂离子电池发挥出最好的性能，热管理系统就显得非常必要。为了在寿命和性能之间取得良好的平衡，一个热管理系统应该维持电池组在安全的温度范围之内工作，并且保证电池模块之间的温差在合理的范围之内，避免引起电池模块之间的不均匀性。本文以流体动力学为基础，分析了电池产热的原理和传热的机理，使用ANSYS FLUENT仿真软件，建立了自然对流条件下电池组的热效应模型，并针对当前应用比较广泛的风冷和PCM冷却方式进行了讨论。本文主要做了以下几方面的工作：（1）根据质量守恒、动量守恒和能量守恒三大基本定律，结合锂离子电池的热行为和产热机理，建立了电池组的三维热效应模型。仿真结果表明在自然对流条件下放电的电池组的温度不能维持在安全温度以内。（2）在给定的工况条件下分别采用风冷热管理系统和相变材料热管理系统对电池组进行冷却，模拟结果表明正常工况下在不大幅度提高风机功率的前提下，PCM热管理系统的冷却性能比风冷的好。（3）在滥用工况（如大电流放电和高温环境等）下比较了风冷系统和PCM热管理系统对电池组的冷却效果，仿真结果表明PCM冷却系统对工况的适应性更强，能够很好的满足电池热管理的要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 动力电池发展背景
• 1.2 动力电池概况
• 1.3 动力电池热管理
• 1.3.1 动力电池热管理的必要性
• 1.3.2 动力电池热管理的研究现状
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 锂离子电池组的热效应模型
• 2.1 锂离子电池的结构与工作原理
• 2.2 锂离子电池产热量的计算
• 2.3 锂离子电池组的传热特性分析及温度场的研究方法
• 2.3.1 锂离子电池的传热特性
• 2.3.2 锂离子电池温度场的研究方法
• 2.3.3 CFD 控制方程
• 2.3.4 ANSYS 仿真软件
• 2.4 锂离子电池组的热效应模型
• 2.4.1 锂离子电池的三维热效应方程
• 2.4.2 锂离子电池的热物性参数及单位体积的产热速率
• 2.4.3 定解条件的设定
• 2.4.4 锂离子电池组的热效应模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 锂离子电池组热管理系统的温度场仿真与讨论
• 3.1 风冷热管理系统的温度场仿真
• 3.1.1 流固耦合模型的建立
• 3.1.2 模拟结果与分析
• 3.1.3 流速对风冷系统温度场分布的影响
• 3.1.4 进风角度对风冷系统温度场分布的影响
• 3.2 PCM 热管理系统的温度场仿真
• 3.2.1 熔化/凝固模型的建立
• 3.2.2 模拟结果与分析
• 3.3 PCM 热管理系统与风冷热管理系统的对比讨论
• 3.3.1 相同的环境温度下大倍率放电的散热情况对比
• 3.3.2 高温环境下相同的放电倍率的散热情况对比
• 3.3.3 高温大倍率放电的散热情况对比
• 3.3.4 PCM 热管理系统与风冷系统的功耗讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 本文主要工作及结论
• 4.2 本课题研究展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢