纯电动汽车用锂离子电池组液体冷却散热结构分析及优化

【摘要】：纯电动汽车在行驶时不产生排气污染，对环境保护尤其是空气的洁净是非常有益的。动力电池系统作为纯电动汽车的唯一动力源，相比于混合动力汽车的动力系统更加简单，维修起来也更加方便。与此同时，动力电池的性能好坏会直接影响纯电动汽车的整车性能。 纯电动汽车在行驶过程中，动力电池组会产生很多热量。这些热量如果不能及时散发掉将会导致电池温度快速攀升以及温度分布不均匀。这会严重影响动力电池组的工作效率、使用寿命以及安全性能。因此，建立电池生热的理论模型，使用数值模拟技术分析锂离子动力电池组在不同条件下的温度场，对散热性能进行仿真，再基于仿真结果有针对性地优化散热结构。这对于锂离子动力电池组的使用性能的提高具有重大的现实意义。本文基于计算流体动力学（CFD）理论，运用Fluent软件对电池单体的温升进行数值模拟，并结合实验对比分析。动力电池组则采用液体冷却形式，使用CFX软件对电池包的温度场进行仿真，分析电池包的温度场分布，并提出散热优化措施，然后在此基础上比较不同散热条件下电池包的散热情况。 本文主要做了以下几方面的工作： ①分析了电池的生热和传热机理，根据热力学定律、传热学的质量、动量和能量守恒定律建立了锂离子电池的三维生热模型； ②对单体锂离子电池进行热特性相关的实验，记录不同温度下不同充放电倍率下锂离子电池的温度特性、内阻特性并且对单体锂离子电池的温度场进行仿真，结果表明数值模拟结果和实验结果一致，证明了电池仿真模型和数值计算设置的合理性 ③使用汽车仿真软件ADVISOR建立了纯电动汽车整车模型，对纯电动汽车在不同行驶工况和极限工况下的动态特性进行仿真。得到锂离子动力电池组在行驶过程中的SOC变化、生热速率和电流变化等参数； ④基于计算流体力学(CFD)技术，在CFX中对纯电动车用锂离子电池组原始方案的流场和温度场进行了数值模拟仿真分析。并提出锂离子电池组散热系统的优化方案并进行优化方案散热效果的仿真分析。 【关键词】：纯电动汽车 锂离子电池 温度场 液体冷却
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM912;U469.72
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 1 绪论8-20
• 1.1 电动汽车的发展概况8-10
• 1.1.1 电动汽车国内外发展现状8-9
• 1.1.2 电动汽车的分类与特点9-10
• 1.2 纯电动汽车核心技术10-12
• 1.3 纯电动汽车车用电池的发展12-13
• 1.4 纯电动车用电池组散热研究13-17
• 1.4.1 纯电动车用电池系统散热方法概述13-15
• 1.4.2 纯电动汽车电池组散热国内外研究现状15-17
• 1.5 论文研究方法、意义及主要内容17-20
• 1.5.1 本文的研究方法和意义17
• 1.5.2 本文主要内容17-20
• 2 锂离子电池生热特性及数值理论基础20-28
• 2.1 锂离子电池结构及工作原理20-22
• 2.1.1 锂离子电池结构及特点20-21
• 2.1.2 锂离子电池的工作原理21-22
• 2.2 锂电池生热机理和传热特性22-24
• 2.2.1 锂离子电池生热机理及模型22-23
• 2.2.2 锂离子电池传热特性23-24
• 2.3 计算流体动力力学的基础理论24-27
• 2.3.1 CFD 概述24-25
• 2.3.2 CFD 的基本控制方程25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 单体锂离子热特性实验及仿真分析28-54
• 3.1 锂离子电池的温度特性实验28-41
• 3.1.1 温升特性29-34
• 3.1.2 内阻特性34-39
• 3.1.3 开路电压特性39-41
• 3.2 锂离子单体电池的三维热效应模型的建立41-43
• 3.2.1 锂离子单体热传递的基本模型41-42
• 3.2.2 热物性参数的确定42-43
• 3.3 单体锂离子电池仿真43-50
• 3.3.1 建立有限元模型43-45
• 3.3.2 热源定义45-50
• 3.4 结果与分析50-53
• 3.5 本章小结53-54
• 4 纯电动汽车多种工况下电池组生热特性54-66
• 4.1 整车技术参数54-55
• 4.2 纯电动汽车车辆模型建立55-58
• 4.2.1 车辆仿真模型的建立55-56
• 4.2.2 动力电池组模型56-58
• 4.2.3 电机模型58
• 4.3 纯电动汽车各部件仿真参数的定义58-60
• 4.4 纯电动汽车循环工况的仿真60-64
• 4.5 本章小结64-66
• 5 液冷条件下的锂离子电池组散热效果仿真66-78
• 5.1 锂离子动力电池组的几何模型及网格划分66-68
• 5.1.1 几何模型66-67
• 5.1.2 网格模型67-68
• 5.2 边界条件设定68-70
• 5.3 仿真结果及分析70-72
• 5.4 锂离子动力电池系统散热优化方案72-76
• 5.4.1 改变散热模型对散热效果的影响72-73
• 5.4.2 改变冷却液温度对散热效果的影响73-74
• 5.4.3 改变冷却液流量对散热效果的影响74-76
• 5.5 本章小结76-78
• 6 总结与展望78-80
• 6.1 全文总结78-79
• 6.2 研究展望79-80
• 致谢80-82
• 参考文献82-84

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