电动车锂电池热管理系统研究

【摘要】电动汽车作为一种清洁、高效、低污染的新能源汽车，在国内外得到了飞速的发展。但是受到动力电池技术的限制，与传统的燃油汽车相比，在续驶里程、加速性能、爬坡性能以及安全性能等方面还存在一定的差距，因此，高功率、高容量以及高安全成为了当前动力电池研究的发展方向。动力电池的技术性能突破受到许多外界条件的限制，尤其是温度条件的制约，良好的运行温度是动力电池安全、高效工作的前提，本文针对动力电池热管理系统分别从电池单体、电池模块、电池包三个方面展开研究，即电池单体内部结构的简化、电池模块液体冷却结构模型的设计、电池包整体结构模型的搭建。在电池单体结构模型的简化以及热特性分析过程中，首先对实际的电池单体进行拆解实验和简化建模，针对每个部分的材料属性以及热源部分在不同放电倍率条件下的产热功率进行总结。利用实验数据验证了简化模型的正确性和实用性，结果表明电池单体处于充放电阶段时，仿真数据和实验数据之间的误差在10%以内。同时，使用CFD软件模拟了不同情况下电池单体的温度变化情况，结果表明电池单体内部最高温度点处于电池内部中心偏下的部位，表面温度远低于内部最高温度；并且随着放电倍率的增加，电池单体最高温度、表面换热系数都有不同程度的提升。当放电倍率大于1.93C时，电池单体内部最高温度可以达到40℃。而且5C放电情况下，环境温度为10℃时，电池单体内部最高温度可以超过40℃，环境温度为30℃时，电池单体内部最高温度可以超过60℃。本文还分析了辐射换热以及接触热阻对电池热特性的影响，研究表明低倍率放电情况下，辐射换热对电池热特性的影响不明显，但接触热阻对电池产热能力的影响不能忽视，仿真数据显示当电池5C放电时，与不考虑接触热阻的情况相比，电池内部最高温度可以上升39.03℃。在电池模块液体冷却结构的设计中，本文在原有空气冷却结构的基础上对液体冷却结构原始模型进行了构建，并且在恒功率放电的情况下比较了两种不同冷却方式的散热效果。研究结果表明采用液体冷却结构方式可以将原始模型的最高温度控制在40℃以下，模块内部最大温度差异在5℃以内，而空气冷却结构不能实现理想的冷却，模块内部最高温度以及最大温差都超过了电池理想工作温度范围。本文设计了四种冷却结构以优化冷却效果，对比分析了四种液体冷却结构模型的流动和换热特性，结果表明在等入口速度的情况下，并行结构的完全冷却系统进出口压降大约是原始结构的1/9，整体的最高温度控制在40℃左右，最大温差在3℃内；在并行冷却结构模型的基础上构建了实际应用模型，并根据电池包内部空间尺寸，对实际应用模型进行了结构改进和优化，最终得到性能最佳的结构模型。在电池包整体结构模型的构建中，根据电动汽车后备箱的结构尺寸构建了电池包整体结构模型，阐述了模型中各个组成部分在结构设计上的优势。最后对电池包内部的双电池模块组以及四电池模块组的内部流动特性进行了初步分析。
【作者】赵卫兵；
【导师】李明；
【作者基本信息】吉林大学，热能工程，2014，硕士
【关键词】热管理系统；电池单体；电池模块；电池包；数值模拟；

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