某款软包锂离子电池组温度场研究及其热管理系统的实现

摘要

能源短缺和环境污染是我们亟待解决的两大世界难题，电动汽车以动力电池作为能量源，它的出现极大地减少了对化石燃料的消耗。电池的能量密度很高，在使用过程中会放出大量热量，如不能够将这些产热及时散失，将造成动力电池温度过高，影响电池的正常使用安全和使用寿命。因此如何降低电池温升、提高动力电池均温性，成为当下到动力电池研究的重点。本文针对某电动汽车软包锂离子电池产热和散热问题进行研究。主要研究内容如下：　　①查阅国内外相关文献，分析得到三元锂电池内部产热可以分为反应热、欧姆热和极化热，分别与电池电动势温升系数、欧姆内阻和极化内阻相关。建立关于电池电动势温升系数、欧姆内阻以及极化内阻的软包锂离子电池产热数学模型。　　②搭建锂离子电池性能实验平台，分别进行充放电实验、放电温升实验、内阻测试实验以及电动势温升系数测试实验。得到不同环境温度、不同放电倍率下电池表面温升变化曲线；不同放电倍率、不同环境温度下，锂电池欧姆内阻和极化内阻随电池SOC（State Of Charge）的变化曲线；锂电池电动势温升系数随SOC的变化趋势。　　③建立软包三元锂电池单体三维仿真模型，通过瞬态仿真方法对锂电池单体进行仿真研究，研究环境温度、放电倍率对电池表面温升的影响。将仿真结果同电池温升实验测得的实验数据进行对比，验证了本文建立的电池产热模型能够准确地反应电池内部产热，准确性高。　　④本文采用液冷板液冷方法对电池组进行冷却散热，冷却液工质为 50%乙二醇。研究了液冷板内肋片宽度、出口高度、流道数量以及肋片长度等参数对液冷板流动换热性能的影响。根据正交试验方法建立四因素四水平实验方案，研究流道数量、肋片长度、肋片宽度、出口高度对液冷板性能的共同作用，以综合性能参数JF因子为评价标准，得到性能最优的液冷板结构。　　⑤利用建模软件搭建由 15 块单体锂电池及性能最优的液冷板组成的电池组散热模型，根据瞬态仿真分析方法对电池组散热性能进行仿真分析。分别研究冷却液进口温度和流速、环境温度对电池组液冷板散热性能的影响。提出将电池间间隔的绝缘硅胶替换为铝板，以及将电池组垂直放置方式改为水平放置的优化方案提升了电池组的散热性能。

目录

1 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1动力电池发展背景及现状

1.1.2锂离子电池热管理的意义

1.2.1电池产热模型研究现状

1.2.2电池热管理研究现状

1.2.3微通道流道研究现状

1.3主要研究内容和目的

2 锂电池产热特性

2.1.1电池结构

2.1.2电池工作原理

2.2锂电池产热模型

2.2.1锂离子电池产热原理

2.2.2锂离子电池产热模型

2.3锂电池物性参数计算

2.3.1电池比热容的测量和计算

2.3.2电池密度测量和计算

2.3.3电池导热系数计算

2.4本章小结

3 电池产热特性实验

3.1锂电池实验设备

3.2.1电池内阻实验测试

3.2.2电池电动势温升系数实验测试

3.2.3电池单体温升实验研究

3.3实验结果分析

3.3.1锂电池内阻特性分析

3.3.2锂电池电动势温升系数特性分析

3.3.3锂电池温度特性分析

3.4本章小结

4 单体软包锂电池仿真分析

4.1 CFD控制理论

4.2.1锂电池换热研究

4.2.2锂电池单体产热模型建立

4.2.3电池产热近似模型建立

4.2.4建立软包锂电池几何模型及网格划分

4.3.1边界条件设置

4.3.2初始条件设置

4.3.3求解器选择

4.3.4锂电池热源设置

4.3.5网格无关性验证

4.4电池单体瞬态仿真

4.4.1温度场仿真结果与实验结果对比验证

4.4.2不同环境温度下电池温度场瞬态仿真

4.4.3不同放电电流下单体电池温度场瞬态仿真

4.5本章小结

5 锂电池液冷板结构优化

5.1液冷冷板系统

5.1.1液冷水冷板系统几何结构

5.1.2性能评价指标

5.2.1材料物性

5.2.2湍流模型设置

5.2.3初始条件设置

5.2.4网格划分

5.2.5网格无关性验证

5.3液冷板性能仿真

5.3.1肋片长度对液冷板性能的影响

5.3.2肋片宽度对液冷板性能的影响

5.3.3流道数量对液冷板性能的影响

5.3.4出口高度对液冷板性能的影响

5.4.1正交方法

5.4.2液冷板优化仿真分析

5.5本章小结

6 电池组散热性能仿真分析

6.1.1液冷系统几何模型

6.1.2网格划分

6.2.1物性参数

6.2.2电池组产热源

6.2.3边界条件设置

6.3电池组散热性能仿真分析

6.3.1冷却液流速对电池散热性能的影响

6.3.2冷却液进口温度对散热性能的影响

6.3.3环境温度对散热性能的影响

6.4.1对导热翅片材料进行优化

6.4.2电池组放置方向对电池组散热的影响

6.5本章小结

7 结论和展望

7.1研究总结

7.2工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢