纯电动汽车锂动力电池组温度场特性研究及热管理系统实现

【摘要】：近年来在能源危机和空气污染问题日趋严峻的情况下，各国都积极地发展纯电动汽车技术和推进纯电动汽车商品化。纯电动汽车的动力来源于电池组，因此整车性能依赖于锂动力电池组能否发挥其最大的性能。锂动力电池性能受环境温度的影响很大，温度对锂动力电池性能的影响主要表现为温度高低和温度分布均匀性。锂动力电池组热管理的目的是控制电池组的温度和实现电池组温度均匀分布。当锂动力电池长期在高温环境下工作，电池内部产生不可逆反应物，加快电池循环使用寿命衰减，当温度达到电池材料燃点时，导致电池组起火；当锂动力电池在低温下工作时，电池的内阻会随着温度的降低而升高，可用容量下降。因此，对锂动力电池组进行有效地热管理不仅可以提高电动汽车的动力性和经济性，还能防止整车行驶过程中因锂动力电池组故障引发的安全问题。本文研究了锂动力电池的生热机理及热特性，通过仿真分析了锂动力电池单体和成组温度场特性，为改善电池性能设计了锂动力电池组热管理系统。 研究内容如下： (1)通过对国内外热管理相关文献阅读和总结，分析了锂动力电池热管理的国内外研究现状及应用前景，找出现有电池组热管理系统研究存在的问题。根据理论及应用现状选取热管理系统的传热介质和实现形式。 (2)通过锂动力电池单体及成组试验分析了锂动力电池的热特性，主要是锂动力电组的充放电容量、内阻、寿命等参数随温度的变化关系，设计了测量锂动力电池组热物理参数的试验，测量和估算出锂动力电池的比热容、导热系数、生热速率等参数。 (3)分析了锂动力电池单体传热机理和热传导方法，利用ANSYS仿真软件建立了锂动力电池单体的三维热模型，分析了单体在不同的工况下温度变化情况。通过单体仿真结果与试验值的对比验证模型精确性，结果表明模型误差不超过1.5℃。在得到准确单体三维热模型基础上，本文仿真分析了锂动力电池组的系统方案，研究了不同的设计参数对锂动力电池组温度场分布的影响，根据仿真结果优化锂动力电池组空气流场，确定电池箱系统方案。 (4)依据锂动力电池组热管理系统要实现的温度控制目标制定锂动力电池组热管理系统的总体框架和温度控制策略，对热管理系统的软硬件进行设计开发，利用VB编写了上位机显示界面，并对系统进行了调试。 (5)通过系统试验验证了锂动力电池组系统仿真模型准确性和电池箱及温度控制系统的功能，研究了锂动力电池组低温下能耗和低温加热的温度门限值。 【关键词】：锂动力电池组热管理系统 锂动力电池热特性 热物参数 温度场仿真 试验验证
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题来源及意义11
• 1.2 纯电动汽车锂动力电池组热管理研究内容及现状11-15
• 1.2.1 锂动力电池组热管理的研究内容11-13
• 1.2.2 锂动力电池组热管理的研究现状13-15
• 1.3 论文主要研究内容及逻辑构架15-17
• 第2章 锂动力电池生热机理分析及热特性试验研究17-33
• 2.1 锂动力电池生热机理分析17-18
• 2.2 锂动力电池热特性试验研究18-28
• 2.2.1 试验对象及试验设备18-21
• 2.2.2 锂动力电池温度特性试验研究21-25
• 2.2.3 锂动力电池单体表面温升研究25-28
• 2.3 锂动力电池热物参数获取28-32
• 2.3.1 锂动力电池比热容及生热速率试验测量28-31
• 2.3.2 锂动力电池导热系数的计算31-32
• 2.4 本章小结32-33
• 第3章 锂动力电池单体及系统建模仿真33-63
• 3.1 锂动力电池的热传导33-37
• 3.1.1 锂动力电池热量传递研究33-34
• 3.1.2 CFD 理论研究34-37
• 3.2 锂动力电池单体热仿真分析37-44
• 3.2.1 锂动力电池热效应模型建立37-39
• 3.2.2 仿真条件设定39-40
• 3.2.3 锂动力电池单体热模型验证40-41
• 3.2.4 锂动力电池单体外部不同条件下温度场研究41-44
• 3.3 锂动力电池组散热和加热系统仿真44-59
• 3.3.1 锂动力电池组自然对流散热研究44-45
• 3.3.2 系统方案仿真模型的建立45-46
• 3.3.3 系统强制冷却散热研究46-55
• 3.3.4 锂动力电池组散热系统温度控制点选取55-56
• 3.3.5 锂动力电池组加热系统仿真研究56-59
• 3.4 电池箱方案确定59-62
• 3.4.1 箱体结构方案59-60
• 3.4.2 散热系统设计60
• 3.4.3 加热系统设计60-62
• 3.5 本章小结62-63
• 第4章 锂动力电池组热管理系统温度控制研究及系统实现63-81
• 4.1 锂动力电池热管理温度控制的目标及意义63
• 4.2 基于能量利用最优化的温度控制策略63-69
• 4.2.1 散热控制策略64
• 4.2.2 保温加热控制策略64-69
• 4.3 热管理系统硬件设计69-77
• 4.3.1 硬件设计的原则69
• 4.3.2 系统总体设计69-70
• 4.3.3 主控模块的器件选型与电路设计70-77
• 4.4 热管理系统软件设计77-79
• 4.4.1 温度采集程序设计77-78
• 4.4.2 VB 上位机界面程序编写78-79
• 4.4.3 主程序流程图79
• 4.5 热管理软硬件系统调试79-80
• 4.6 本章小结80-81
• 第5章 系统试验验证81-89
• 5.1 试验设备及试验系统搭建81
• 5.2 试验方法及步骤81-82
• 5.2.1 散热系统试验步骤制定81-82
• 5.2.2 加热系统试验步骤制定82
• 5.3 系统试验结果分析82-87
• 5.3.1 锂动力电池组模型验证分析82-84
• 5.3.2 系统的散热功能试验验证分析84-85
• 5.3.3 系统的保温性能试验验证分析85
• 5.3.4 系统温度控制策略的验证分析85-86
• 5.3.5 系统低温加热能耗试验研究86-87
• 5.4 本章小结87-89
• 第6章 全文总结与工作展望89-91
• 6.1 论文研究工作总结89-90
• 6.2 研究展望90-91
• 参考文献91-96
• 作者简介及研究成果96-97
• 致谢97

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