了得網工業技術_動力電池熱管理技術散熱繫統熱流場分析

內容簡介

本書結合作者的部分研究成果，根據相關領域的國內外研究進展，圍繞動力電池散熱繫統，分別介紹了動力電池散熱繫統的研究現狀、散熱繫統設計理論、動力電池生熱模型，並結合豐富實例，著重論述了有關被動式風冷散熱繫統、主動式風冷散熱繫統與主動式液冷散熱繫統熱流場分析的重要結論。本書主要面向新能源汽車行業的從業人員，適合新能源汽車、動力電池、熱管理等領域相關的研究人員和工程技術人員閱讀和參考，也可作為高等院校能源與動力工程、電動汽車、電池等相關專業的教材或參考書。

目錄
前言
第１章動力電池散熱繫統研究現狀１
１.１動力電池空氣冷卻式散熱繫統２
１.１.１空氣冷卻式散熱繫統工作原理２
１.１.２空氣冷卻式散熱繫統研究現狀４
１.２動力電池繫統液體冷卻式散熱繫統６
１.２.１液體冷卻式散熱繫統工作原理６
１.２.２液體冷卻式散熱繫統研究現狀７
１.３動力電池繫統相變冷卻式散熱繫統９
１.３.１相變冷卻式散熱繫統工作原理９
１.３.２相變冷卻式散熱繫統研究現狀１３
１.４本章小結１６
參考文獻１７目錄
前言
第１章動力電池散熱繫統研究現狀１
１.１動力電池空氣冷卻式散熱繫統２
１.１.１空氣冷卻式散熱繫統工作原理２
１.１.２空氣冷卻式散熱繫統研究現狀４
１.２動力電池繫統液體冷卻式散熱繫統６
１.２.１液體冷卻式散熱繫統工作原理６
１.２.２液體冷卻式散熱繫統研究現狀７
１.３動力電池繫統相變冷卻式散熱繫統９
１.３.１相變冷卻式散熱繫統工作原理９
１.３.２相變冷卻式散熱繫統研究現狀１３
１.４本章小結１６
參考文獻１７
第２章動力電池散熱繫統設計理論２１
２.１散熱繫統設計要求２１
２.２電池單體產熱量計算２３
２.２.１產熱機理２３
２.２.２熱物性參數２３
２.２.３產熱模型２４
２.２.４傳熱機理２５
２.３散熱繫統設計２６
２.３.１散熱方式選擇２６
２.３.２繫統匹配設計２８
２.３.３仿真分析５３
２.３.４實驗驗證５５
２.４本章小結５８
參考文獻５８
第３章動力電池充放電生熱模型６０
３.１電池單體生熱模型介紹與國內外研究現狀６０
３.１.１電化學—熱耦合模型６０
３.１.２電—熱耦合模型６１
３.１.３熱濫用模型６２
３.１.４集中質量模型６４
３.１.５一維模型６５
３.１.６二維模型６５
３.１.７三維模型６６
３.２案例———鋰離子電池充放電發熱功率測定６８
３.２.１鋰離子電池的工作原理和充放電熱分析６８
３.２.２鋰離子電池單體性能和熱物性參數６９
３.２.３鋰離子電池單體生熱模型搭建７１
３.２.４鋰離子電池單體充放電發熱功率測定實驗７２
３.２.５電池單體發熱功率測定及分析７３
３.２.６電池單體發熱功率實驗測定值與仿真計算比對分析７８
３.３本章小結８０
參考文獻８０
第４章被動式風冷散熱繫統熱流場分析８２
４.１動力電池被動式進風散熱繫統建模８２
４.１.１被動式進風數學模型建立８２
４.１.２汽車和風洞物理模型建立８２
４.２動力電池被動式進風散熱繫統熱流場分析８４
４.２.１不同出風口模式動力艙熱流場分析８４
４.２.２不同環境溫度下動力艙熱流場分析９２
４.２.３不同充放電倍率動力艙熱流場分析９７
４.２.４不同電池組位置動力艙熱流場分析１０３
４.３本章小結１０５
參考文獻１０６
第５章主動式風冷散熱繫統熱流場分析１０８
５.１動力電池主動式進風散熱繫統建模１０８
５.１.１主動式進風數學模型建立１０８
５.１.２動力電池包物理模型建立１０９
５.２動力電池主動式進風散熱繫統熱流場分析１０９
５.２.１不同進風方向電池包熱流場分析１０９
５.２.２不同進風模式電池包熱流場分析１１２
５.２.３不同ＳＯＣ狀態電池包熱流場分析１１７
５.２.４不同充放電倍率電池包熱流場分析１１９
５.２.５不同瞬態工況電池包熱流場分析１２２
５.２.６主動式進風散熱電池包熱流場風道優化分析１２８
５.３本章小結１３１
參考文獻１３１
第６章主動式液冷散熱繫統熱流場分析１３３
６.１動力電池主動式液冷散熱繫統建模１３３
６.１.１主動式液冷繫統數學模型建立１３３
６.１.２電池包和水冷板物理模型建立１３３
６.２動力電池主動式液冷散熱繫統熱流場分析１３３
６.２.１不同水冷板流徑電池包熱流場分析１３３
６.２.２不同環境溫度電池包熱流場分析１３７
６.２.３不同進液流量電池包熱流場分析１４６
６.２.４不同模組間隙電池包熱流場分析１６６
６.２.５冷板流徑優化１７０
６.３本章小結１７１
參考文獻１７２

前言

前言動力電池散熱的目的及意義現階段，在萬物互聯、大數據、雲計算、增材制造和人工智能等新技術的衝擊下，全球制造業迎來了一場新的科技變革。汽車行業作為現代工業的基礎支撐，已成為世界各國迎接科技變革的重要突破口。因此， “低碳化、信息化、智能化”逐漸成為汽車行業的發展目標，在此基礎上，中國《汽車藍皮書》於２０１６年提出了 “智能化、電動化、電商化、共享化”的汽車行業四化轉型目標，逐漸推動汽車行業的快速轉型與汽車技術的融合發展，新能源汽車已成為未來汽車發展的必然趨勢。伴隨動力電池、驅動電機、電控繫統等技術的不斷優化，加之國家政策的大力支持，如比亞迪、特斯拉、寶馬等都推出了性能優良的電動汽車車型，不斷助力汽車產業低碳化進程。據中國汽車工程學會提出的中國汽車技術總體發展目標：到２０２０年，電動汽車銷售量占比將達到７％以上；到２０３０年，電動汽車的銷量占比將超過４０％。因此，在未來的很長一段時間內，汽車行業市場將由傳統燃油車與以電動汽車為代表的新能源汽車共同組成。前言動力電池散熱的目的及意義現階段，在萬物互聯、大數據、雲計算、增材制造和人工智能等新技術的衝擊下，全球制造業迎來了一場新的科技變革。汽車行業作為現代工業的基礎支撐，已成為世界各國迎接科技變革的重要突破口。因此， “低碳化、信息化、智能化”逐漸成為汽車行業的發展目標，在此基礎上，中國《汽車藍皮書》於２０１６年提出了 “智能化、電動化、電商化、共享化”的汽車行業四化轉型目標，逐漸推動汽車行業的快速轉型與汽車技術的融合發展，新能源汽車已成為未來汽車發展的必然趨勢。伴隨動力電池、驅動電機、電控繫統等技術的不斷優化，加之國家政策的大力支持，如比亞迪、特斯拉、寶馬等都推出了性能優良的電動汽車車型，不斷助力汽車產業低碳化進程。據中國汽車工程學會提出的中國汽車技術總體發展目標：到２０２０年，電動汽車銷售量占比將達到７％以上；到２０３０年，電動汽車的銷量占比將超過４０％。因此，在未來的很長一段時間內，汽車行業市場將由傳統燃油車與以電動汽車為代表的新能源汽車共同組成。
新能源汽車是以傳統燃油車作為對照的汽車類型，廣義上來講，不單純以汽油或柴油為燃料，不依賴或不完全依賴內燃機為動力的汽車，都可以歸入新能源汽車。新能源汽車主要有混合動力汽車（ＨＥＶ，含插電式和增程式）、純電動汽車（ＢＥＶ）、燃料電池汽車（ＦＣＥＶ）、替代燃料汽車等。從節能和降低污染物排放的效果來講，新能源汽車要好於傳統燃油車，其效果從低到高依次是替代燃料汽車、混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車，各國都把純電動汽車和燃料電池汽車作為遠期的發展目標，期望實現完全的電氣化驅動。
不管是混合動力汽車，還是電動汽車，動力電池都是其核心組件。從早期的鉛酸電池，到後來的鎳氫電池，再到後來的鋰離子電池，車用動力電池也走過了漫長的過程。鋰離子電池作為目前電動汽車使用的主要動力電池類型，其性能、壽命、成本、安全性等對電動汽車的發展有非常重大的影響。國內外針對動力電池都投入了大量的人力、物力和財力進行研究。在新能源汽車的發展戰略中，世界各國都依據自己的評估作了不同的選擇，對相關電池技術的研發及推廣采取了不同的扶持策略。在常用的三種車載電池中，鉛酸電池由於會造成嚴重的環境污染，早已退出主流應用；鎳氫電池雖然是目前商用化的主流，但其主要指標的實驗室測試數據均低於鋰電池，且理論上基本不存在提升空間，同時又由於存在 “記憶效應”，即電池在循環充放電過程中容量會出現衰減而過度充電或放電，可能加劇電池的容量損耗；鋰電池盡管性能優越，然而安全性尚不能得到保證，且相對較高的成本也阻礙了其商用化進程。另一方面，國家工信部、發改委等部門聯合發布的《促進汽車動力電池產業發展行動方案》提出了 “到２０２０年，新型鋰離子動力電池單體比能量超過３００Ｗ·ｈ／ｋｇ；繫統比能量力爭達到２６０Ｗ·ｈ／ｋｇ、成本降／Ｗ·ｈ以下，使用環境達－３０～５５℃，可具備３Ｃ充電能力。到２０２５年，新體繫動力電池技術取得突破性進展，單體比能量達５００Ｗ·ｈ／ｋｇ。”的發展目標，這對鋰電技術進一步發展與在電動汽車上的應用提出了更高的要求。
動力電池的成本、性能和壽命在很大程度上決定了電動汽車的成本和可靠性，所以任何影響到電池的參數都需要優化，其中動力電池自身溫度高低和內部溫度均勻性對其性能和壽命影響很大。較高的溫度會加速其化學反應，從而對電池結構產生永久性的破壞，此外，高溫不但會損壞極板，而且容易導致過充電現像，嚴重影響電池的使用壽命。有研究表明：在４５℃環境溫度下工作時，電池的循環次數減少近６０％，當高倍率充電時，溫度上升５℃，電池壽命將減半；還有學者提出電池單體需要諸如阻燃電池套、爆炸盤等額外的保護措施，以防止電池產生危害。
不同種類電池具有不同的工作溫度範圍，例如鉛酸電池的溫度範圍為２５～４５℃；鎳氫電池為２０～５０℃；鋰電池為２０～３０℃。受環境溫度變化、導熱條件不佳等因素限制，電池的實際工作溫度常常會超出上述範圍，比如混合動力電動汽車使用時，環境溫度的變化範圍可達到３０～６０℃。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小，電池內部熱量不易散出，更可能出現內部溫度不均、局部溫升過高等問題，從而進一步加速電池衰減，縮減電池壽命，增加用戶的總擁有成本。
電動汽車在行駛過程中，動力電池放電電流波動起伏。汽車在起動、加速等情況下，電流變化較大且產熱不均衡。電池模塊內部的溫度均勻性是影響電池組性能的重要因素，不同模塊之間的溫度差異過大，會加劇電池內阻和容量的不一致性。如果長時間積累，會造成部分電池過充電或者過放電現像，進而影響電池的壽命與性能，並造成安全隱患。因此，對於動力電池來說，僅僅依靠電池單體配方調整不能解決所有問題，設計時必須考慮安裝冷卻繫統，對電動汽車動力電池進行有效散熱。綜上所述，適宜的工作溫度是電池良好性能發揮的前提。因此，開發一種行之有效的電池散熱繫統，設計一種穩定、

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