纯电动汽车电池箱热特性研究及热管理系统开发

【摘要】：随着能源危机和环境污染的日益严重，电动汽车的发展越来越引起人们的重视，动力电池是纯电动汽车唯一的动力能源，它的工作性能和寿命受环境温度的影响很大。在高温环境下，电池内部不可逆反应物生成速度加快，不可逆反应物的增多导致电池的可用容量的加速减少，当电池的可用容量衰减到电池额定容量的80%时，电池的寿命终结；电池在低温环境充放电下，电池的内阻加大，放电电压平台降低，可充放容量减少，电池的充放电效率明显减低，且对电池本身有一定的损害，因此，对电动汽车电池的热特性研究及热管理系统的开发有着重要的意义。 本文以纯电动汽车的LiFePO_4电池为研究对象，根据LiFePO_4电池温度特性和电动汽车热管理设计要求，工作如下： （1）查阅了大量资料，对电池热管理研究现状进行分析，指出动力电池和电池热管理系统存在问题，选择合理的散热结构和加热结构。 （2）研究了电池的温度特性，分析得出电池的最佳工作区间；从生热出发，推导求出电池热物性参数和生热速率公式，对实验数据处理得到电池比热容，并整理求得电池的单位体积的生热速率；根据电池材料导热系数参数，计算电池等效材料的各方向的导热系数，并做了温升实验以备验证生热模型。 （3）利用Fluent仿真软件对电动汽车现有单体仿真进行仿真计算，并将仿真结果和实验进行对比，所得两者结果基本吻合，可知，可将其作为电池箱热模型的单体生热模型；建立了自热对流下电池箱模型，并分析自然对流下电池箱的仿真结果，指出其存在问题，因此必须设计散热风道。 （4）为了改善电池箱夏天散热效果，并提高电池在冬季条件下的工作性能，对自然对流电池箱做如下改进措施：（A）采用并行通风方式，增加强制风冷措施。（B）利用加热膜在电池箱底部进行加热。（C）增加保温功能。通过CFD对散热系统高温条件进行了仿真，稳态时电池的侧面最高温度低于环境温度5度，满足电池的工作要求；通过仿真上下加热方式和保温性能，选择下部加热电池具有较好的加热效果。利用远程监测系统求得的相关参数对电池箱设备进行选型，并对结构进行设计。 （5）制定充电加热控制策略和散热控制策略，并对热管理系统的硬件和软件进行设计与调试。对热管理系统包括：散热系统、加热系统和控制策略进行实验验证，实验验证热管理系统功能。 【关键词】：热管理系统 电池热参数 仿真 控制策略 控制器设计 实验验证
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题来源及意义11
• 1.2 电池组热管理的研究现状11-16
• 1.2.1 电池组热管理系统研究现状综述11-13
• 1.2.2 电池热管理系统散热热研究现状13-16
• 1.2.3 热管理系统加热设计现状16
• 1.3 纯电动汽车电池热管理功能16-17
• 1.4 本文研究内容17-19
• 第2章 锂电池热物性参数获取和温升实验研究19-31
• 2.1 锂离子电池温度特性19-21
• 2.2 锂离子电池的生热机理21
• 2.3 锂离子电池比热容实验测量和导热系数的确定21-26
• 2.3.1 锂离子比热容电池实验测量原理21-24
• 2.3.2 测量结果分析24-25
• 2.3.3 LiFePO_4 电池导热系数的确定25-26
• 2.4 锂离子单体电池温升特性26-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 电池传热机理及电池箱建模仿真研究31-59
• 3.1 电池箱建模仿真的目的31
• 3.2 电池传热机理与研究方法31-36
• 3.2.1 电池冷却机理31-32
• 3.2.2 CFD 计算方法32-36
• 3.3 单体电池在不同散热条件的温度变化36-42
• 3.3.1 电池的热效应模型36-38
• 3.3.2 单体电池的仿真分析和后处理38-42
• 3.4 电池箱散热结构仿真研究42-48
• 3.4.1 自然对流仿真分析42-43
• 3.4.2 并行散热结构仿真43-48
• 3.5 加热系统仿真研究48-51
• 3.6 保温性能分析51-54
• 3.6.1 保温材料性能51-52
• 3.6.2 具有保温功能的加热仿真52-54
• 3.6.3 具有保温功能的大电流放电仿真54
• 3.7 温控电池箱设计方案54-58
• 3.7.1 系统选型55-56
• 3.7.2 箱体结构设计56-58
• 3.8 本章小结58-59
• 第4章 电池箱温度控制系统开发59-79
• 4.1 电池箱控制系统的目的59
• 4.2 控制策略制定59-61
• 4.2.1 加热控制策略59-60
• 4.2.2 散热控制策略60-61
• 4.3 控制系统结构61-62
• 4.4 热管理系统主控板硬件设计62-67
• 4.4.1 硬件电路设计应遵循的原则62-63
• 4.4.2 MC9S12XEP100 主控芯片63
• 4.4.3 主控板时钟模块63-64
• 4.4.4 主控板电源电路设计64-66
• 4.4.5 CAN 总线模块和 RS232 串行通信模块66-67
• 4.5 热管理系统采集板硬件设计67-70
• 4.5.1 温度采集板最小系统67-68
• 4.5.2 温度采集工作原理68-69
• 4.5.3 驱动部分设计69-70
• 4.6 仪器网络化设计70-74
• 4.6.1 通信系统整体结构70-72
• 4.6.2 远程监测系统设计72-74
• 4.7 CAN 通信设计74-75
• 4.8 电池箱热管理系统调试75-77
• 4.9 本章小结77-79
• 第5章 电池箱热管理系统实验验证79-97
• 5.1 电池箱热管理系统实验验证目的79
• 5.2 散热系统实验验证79-83
• 5.3 加热系统和保温性能实验验证83-90
• 5.3.1 计算电池箱平均热阻83-84
• 5.3.2 电池箱门开启温度及加热系统实验验证84-90
• 5.4 控制策略实验验证90-95
• 5.4.1 模糊控制器设计90-92
• 5.4.2 控制策略验证92-95
• 5.5 本章小结95-97
• 第6章 全文总结与工作展望97-99
• 6.1 论文研究工作总结97
• 6.2 工作展望97-99
• 参考文献99-103
• 作者简介及在学期间所取得的成果103-105
• 致谢105

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