纯电动汽车锂电池组温度场研究及散热结构优化

【摘要】：锂离子电池因为具有电压平台高、比能量、比功率、自放电低、循环性能好、环境友好等优点成为电动汽车和混合动力汽车的主导电源。以锂离子电池为动力的纯电动汽车已经成为国际竞争的热点,国际上主流的汽车公司将于未来几年大力推行基于锂离子电池的电动汽车。很多专家认为,锂离子动力电池就如同今天的石油一样具有重要的战略意义。但是,锂离子电池在使用时产生大量的热量,会导致电池温度升高以及电池组各电池之间温度的不均匀,影响电池的使用性能,严重时甚至影响到电池的寿命及使用安全。因此,采用数值模拟方法分析电池在使用条件下的温度场分布,优化电池组的散热结构,进行散热性能的预测,对提高电池组的使用性能具有重要的现实意义。目前车上电池组散热一般采用风机抽吸式冷却结构。这类结构的一个缺点之一就是抽风机或者吹风机本身消耗电池容量,降低电池的有效利用功率。如果采用自然冷却方式当汽车行驶时,因周围空气与汽车的相对运动,可对锂离子电池组起到冷却作用。本文运用CFD方法对锂离子原始电池组自然风冷时的流场和温度场进行了建模和数值模拟,并从自然风冷不消耗电池容量的结构入手提出使电池组的流场和温度场均匀的优化方案。 本文主要做了以下几方面的工作: ①基于传热学的三大基本定律建立了锂离子电池组的三维散热模型,并分析锂离子电池的生热机理和传热特性; ②利用电动汽车仿真软件ADVISOR建立纯电动汽车主要部件的仿真模型和整车仿真模型,对整车的动力性和续驶里程进行仿真,并利用该模型获得电动汽车各工况下电池组电流变化规律; ③采用计算流体力学方法,进行了电动汽车原始锂离子电池组的流场和温度场的数值模拟。在此基础上,提出了锂离子电池组散热结构的优化方案,并进行了优化方案的仿真分析; ④为验证仿真分析的准确性,进行了纯电动汽车在匀速行驶工况下锂离子电池组的温度场测量。试验结果与仿真结果呈现一致的变化趋势,表明所建的温度场模型的合理性。 【关键词】：电动汽车 锂离子电池 温度场 FLUENT
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TM912
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 符号表9-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 纯电动汽车及动力电池发展概况10-13
• 1.1.1 纯电动汽车国内外发展现状10
• 1.1.2 动力电池的研究现状及发展趋势10-13
• 1.1.3 纯电动汽车对动力电池的技术要求13
• 1.2 车用锂电池及电池组散热的研究现状13-17
• 1.2.1 车用锂电池的研究现状及发展趋势13-14
• 1.2.2 电动汽车电池组散热国内外研究现状14-16
• 1.2.3 电池组散热必要性16-17
• 1.3 论文的研究方法、研究意义、主要内容17-19
• 1.3.1 本文采用的研究方法及意义17-18
• 1.3.2 论文主要研究内容18-19
• 2 车用锂电池温度场分析理论研究19-28
• 2.1 锂离子电池结构及反应原理19-20
• 2.1.1 锂离子电池的结构19
• 2.1.2 锂离子电池的反应原理19-20
• 2.2 锂电池的发热机理20-22
• 2.2.1 锂电池的发热机理20-21
• 2.2.2 锂离子电池组的传热特性研究21-22
• 2.3 温度场分析及计算流体力学基础理论22-27
• 2.3.1 温度场分析研究方法22-23
• 2.3.2 CFD 的控制方程23-25
• 2.3.3 CFD 离散化研究及求解步骤25-27
• 2.4 本章小结27-28
• 3 纯电动汽车行驶时电池组的电流变化规律28-39
• 3.1 整车主要技术参数和设计目标28
• 3.2 电动汽车车辆仿真模型建立及参数设置28-35
• 3.2.1 基于 ADVISOR 的车辆仿真模型的建立29-33
• 3.2.2 纯电动汽车车辆仿真参数定义33-35
• 3.3 电动汽车车辆仿真参数设置35-37
• 3.3.1 车辆仿真循环工况的选择35-36
• 3.3.2 设置加速及爬坡测试参数36-37
• 3.4 循环工况下以及匀速行驶时的电流规律37-38
• 3.5 本章小结38-39
• 4 纯电动汽车锂电池组温度场仿真分析39-56
• 4.1 锂电池组A 原始模型的CFD 分析40-48
• 4.1.1 锂电池组A 的几何模型40
• 4.1.2 锂电池组A 的计算网格模型40-41
• 4.1.3 方形锂电池组A 的温度场模型41-43
• 4.1.4 电池热物理参数的确定43-45
• 4.1.5 边界条件的选取45-46
• 4.1.6 求解器的选择46-47
• 4.1.7 流场分析与温度场分析47-48
• 4.2 锂电池组A 的初步优化CFD 分析48-49
• 4.2.1 改进方案48
• 4.2.2 网格模型、热物性参数、边界条件、求解器选择48
• 4.2.3 流场分析和温度场分析48-49
• 4.3 锂电池组B 原始模型的CFD 分析49-52
• 4.3.1 电池组B 的几何模型和网格模型49-50
• 4.3.2 流场分析与温度场分析50-52
• 4.4 锂电池组B 改进后模型的CFD 分析52-53
• 4.4.1 结构改进方案52
• 4.4.2 温度场仿真52-53
• 4.5 锂电池组C 原始模型的CFD 分析53-55
• 4.5.1 电池组C 的几何模型和网格模型53-54
• 4.5.2 流场分析与温度场分析54-55
• 4.6 本章小结55-56
• 5 纯电动汽车实验及电池组温度场试验研究56-65
• 5.1 锂电池室内测试57-61
• 5.1.1 锂电池室内测试项目57
• 5.1.2 单体电池充放电过程中的温升实验57-59
• 5.1.3 单体电池充放电过程中的温升实验结果59-61
• 5.2 电动汽车的道路测试61
• 5.3 行车时的温度场测试61-63
• 5.3.1 电池组温度场测试过程61-62
• 5.3.2 电池组温度传感器布点方案62-63
• 5.4 纯电动汽车电池组温度仿真与试验结果对比分析63-64
• 5.5 本章小结64-65
• 6 总结与展望65-67
• 6.1 全文总结65-66
• 6.2 研究展望66-67
• 致谢67-69
• 参考文献69-73
• 附录73
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文73
• B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目73

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