第1章動力電池產熱模型與熱特性1

1.1鋰離子電池產熱原理及模型1

1.1.1鋰離子電池產熱原理1

1.1.2鋰離子電池產熱模型2

1.2基於內阻的鋰離子電池熱特性模型3

1.2.1鋰離子電池熱特性模型3

1.2.2基於電池內阻的產熱模型4

1.3圓柱電池熱分析建模及熱特性6

1.3.1圓柱電池熱分析模型6

1.3.2圓柱電池熱特性分析17

1.4軟包電池熱分析建模及熱特性20

1.4.1軟包電池熱分析模型20

1.4.2軟包電池熱特性分析30

1.5方形電池熱分析建模及熱特性32

1.5.1方形電池熱分析模型32

1.5.2方形電池熱特性分析36

本章參考文獻38

第2章動力電池熱管理繫統設計42

2.1鋰離子電池熱管理繫統概述42

2.2鋰離子電池風冷繫統熱分析及設計45

2.2.1風冷電池組熱特性分析建模45

2.2.2流道結構對單排電池熱特性的影響48

2.2.3流道結構對多排電池熱特性的影響58

2.3鋰離子電池水冷繫統熱分析及設計66

2.3.1鋰離子電池水冷繫統及強化換熱66

2.3.2微通道波紋水冷板流動換熱特性67

2.3.3基於微通道波紋水冷板的電池熱特性73

本章參考文獻83

第3章動力電池平板熱管強化傳熱87

3.1基於熱管的鋰離子電池熱管理87

3.2電池熱管理的平板熱管建模及設計89

3.2.1基於平板熱管的電池傳熱過程89

3.2.2電池組熱電耦合產熱建模91

3.2.3平板熱管多熱源多尺度參數化建模93

3.2.4平板熱管多熱源參數化模型驗證103

3.2.5動力電池平板熱管設計105

3.3基於平板熱管的電池熱特性113

3.3.1穩態放電工況電池組熱特性113

3.3.2動態工況電池組熱特性120

本章參考文獻121

第4章燃料電池水熱管理124

4.1燃料電池水熱傳輸特性124

4.1.1質子交換膜燃料電池基礎124

4.1.2質子交換膜燃料電池熱力學基礎126

4.1.3質子交換膜燃料電池水熱傳輸過程127

4.2燃料電池水熱管理建模129

4.2.1水蒸氣輸運與管理129

4.2.2液態水輸運與管理135

4.2.3燃料電池熱管理143

4.2.4燃料電池三維兩相流動與傳熱模型146

4.2.5燃料電池繫統仿真建模152

4.3燃料電池雙極板設計158

4.3.1雙極板氣體流道設計158

4.3.2雙極板/冷卻板散熱設計161

4.4燃料電池餘熱利用164

本章參考文獻168

第5章燃料電池冷啟動170

5.1燃料電池冷啟動特點170

5.1.1層分離171

5.1.2材料損壞171

5.1.3冷啟動過程隨機性172

5.1.4冷啟動過程的三個階段174

5.2燃料電池冷啟動建模175

5.2.1過冷水結冰概率模型176

5.2.2低溫下質子交換膜飽和含水量178

5.2.3低溫啟動過程中質量和能量輸運179

5.3燃料電池冷啟動性能181

5.3.1不同初始條件冷啟動性能183

5.3.2不同運行參數冷啟動性能187

5.3.3不同結構參數冷啟動性能188

5.4燃料電池冷啟動失敗模式192

5.4.1兩種冷啟動失敗模式比較192

5.4.2冷啟動失敗模式分類圖194

本章參考文獻195

第6章電動空調繫統及其控制策略198

6.1電動空調繫統及其建模198

6.1.1電動空調繫統組成198

6.1.2電動空調繫統建模201

6.2電動空調繫統PID控制策略207

6.2.1自適應模糊PID控制策略207

6.2.2自適應模糊PID控制應用217

6.3電動空調繫統模型預測控制策略226

6.3.1智能模型預測控制策略227

6.3.2智能模糊MPC控制應用241

本章參考文獻244

第7章電動汽車整車綜合熱管理247

7.1電動汽車熱管理繫統建模247

7.1.1電動汽車低溫熱管理繫統建模247

7.1.2電動汽車協同熱管理繫統建模251

7.2動力電池熱管理繫統控制262

7.2.1電池熱管理繫統控制策略262

7.2.2車速預測及對控制的影響264

7.2.3自適應電池溫度參考值控制器271

7.2.4對照組控制策略273

7.2.5電池熱管理控制策略對比分析274

7.3電池與乘員艙協同熱管理繫統控制278

7.3.1電池與乘員艙協同熱管理控制策略278

7.3.2電池工作溫度控制策略280

7.3.3對照組繫統控制策略283

7.3.4協同熱管理繫統控制策略對比分析285

本章參考文獻293 

發展新能源汽車是汽車行業實現碳達峰、碳中和的主要途徑，世界各國紛紛出臺各項支持政策，大力推動新能源汽車產業發展。發展新能源汽車也是我國從汽車大國走向汽車強國的必由之路，是應對氣候變化、推動綠色發展的戰略舉措。常見的新能源汽車可分為混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車。新能源汽車與傳統汽車的關鍵區別在於動力繫統（由動力電池或燃料電池等新能源動力繫統替代了傳統的內燃機動力繫統）、空調繫統（由電動空調繫統替代了傳統的發動機驅動空調繫統）。動力電池為純電動汽車提供能量，是純電動汽車的核心繫統。動力電池為具有復雜產熱與傳熱過程的電化學動力源，溫度是影響動力電池的關鍵因素之一。電池充放電過程的電化學反應都是在特定的溫度範圍內纔能發生，溫度對動力電池的電化學繫統運行、充放電效率、功率、容量、可靠性、安全性和壽命等性能有著重要影響。動力電池熱管理主要是在電池熱特性研究的基礎上，通過設計合理的電池組熱管理繫統結構和發展先進的熱管理控制策略，使電池工作在合適的溫度範圍內，並有效控制電池組各單體之間的溫差，以提高動力電池的性能。隨著新能源汽車發展對動力電池壽命、充放電性能和環境適應性等要求的逐漸提高，動力電池熱管理的重要性日益突顯。質子交換膜燃料電池為燃料電池汽車提供動力來源，是燃料電池汽車的核心繫統。質子交換膜燃料電池是一種以氫氣和氧氣為原料，將化學能轉化成電能的裝置，其電化學反應將生成熱和水，燃料化學能通過燃料電池堆轉化的電能和熱能約各占50%。質子交換膜燃料電池內部熱平衡與水平衡緊密聯繫、互相影響，對燃料電池的性能、壽命和運行安全起著關鍵作用。質子交換膜燃料電池熱管理又稱水熱管理，主要是對電池內部氣、液流動傳質與傳熱進行控制，保持電池的熱平衡和水平衡。溫度升高有利於提高電化學反應速率和質子在電解質膜內的傳遞速率，電池性能變好。水含量強烈影響膜的導電性能，高溫將使質子交換膜脫水，不滿足膜的濕潤條件，其電導率下降，電池性能變差。當電池溫度過高或超溫運行時，質子交換膜會出現微孔，導致氫氣洩漏，危及運行安全。由於燃料電池堆和運行環境間溫差較小，熱傳遞需隨電流密度變化而迅速變化，熱管理成為一個極具挑戰性的難題。新能源汽車電動空調繫統采用電動壓縮機取代了傳統發動機皮帶驅動的空調壓縮機，工作所需能量均來自動力電池或燃料電池，電動空調繫統的能效水平直接影響新能源汽車整車經濟性和續駛裡程。新能源汽車電動空調與傳統汽車空調的制冷工作原理基本相同，傳統汽車空調可利用發動機餘熱進行采暖，而新能源汽車電動空調有制熱需求，通常采用PTC（正溫度繫數）加熱器直接加熱空氣或先加熱冷卻液再間接加熱空氣的電加熱方式。通過優化控制策略保障乘員的熱舒適性並降低電動空調繫統能耗，為新能源汽車電動空調繫統研究的重要內容。本書正是圍繞上述三個方面的研究工作逐章展開的。研究工作得到了國家自然科學基金（中國汽車產業創新發展聯合基金重點支持項目）“車用動力電池繫統熱特性、熱傳輸及熱管理機制研究”（U1864212）以及國家973計劃、國家重點研發計劃等相關項目的支持。感謝團隊博士生李偉、楊瑞、劉釗銘、王悅齊，以及碩士生王晨陽、何天祺、堯磊等同學，本書凝聚了他們學位論文的研究成果。感謝團隊的科研助理楊藝馨，她對書中的細節、措辭等進行了認真審核，為本書的順利出版做出了貢獻。鋻於新能源汽車熱管理所涉及繫統的內在復雜性，本書僅僅是從一個角度詮釋了我們的研究進展。由於我們的研究水平有限，書中難免會有錯誤和不妥之處，懇請讀者批評指正。作者2021年8月