开题报告-基于热管理的电动汽车动力电池组设计研究.pdf

中 北 大 学 毕业设计开题报告 学学 生生 姓姓 名名：李倩学学 号号：1302064202 学学院 ：院 ：机械与动力工程学院 专专业 ：业 ：车辆工程 设计设计( (论文论文) )题题 目目：基于热管理的电动汽车动力电池组设计 研究 指 导 教 师指 导 教 师 : :韩文艳 2017 年3 月9日 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 1结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述： 文文 献献 综综 述述 一、前言 汽车的发展推动了现代社会的进步， 促进了地区之间人和物的交流并提高了人们的 舒适度，但同时也带来了能源消耗和环境污染等问题，环境污染、石油储量有限及全球 气候变暖迫使人们在汽车动力系统领域寻求技术突破。在没有理想的替代燃料的情况 下，传统汽车将从内燃机汽车转向电驱动汽车，电动汽车作为理想的电驱动汽车可以同 时满足能源和环保的要求。动力电池是电动汽车唯一的动力源，动力电池的性能直接影 响电动汽车整车性能。 近年来，电池技术已经取得很大的进展，但还是存在很多问题影响电动汽车的大规 模推广，例如：电池循环寿命短、转换效率低、成本高、安全可靠性差等问题。而这些 问题产生的根源都是电池系统自身的局限性，即电池成组之后的放电性能、循环寿命和 安全性差等问题。动力电池成组之后的性能直接决定电动汽车整车动力性、使用经济性 和安全可靠性，动力电池成组技术制约着电动汽车产业发展。 二、研究现状 电池作为电动汽车中的主要储能原件，是电动汽车的关键部位，直接影响电动汽车 的性能。电池组热管理系统的研究与开发对于电动汽车是必要的，因为温度与电池系统 性能关系最为密切， 温度对电池系统的影响主要包括电池的内阻、 充电性能、 放电性能、 循环寿命以及安全可靠性等。 一、温度对电池内阻的影响改变温度条件，在同等载荷作用前提下，温度越低， 电池内阻越大。 二、温度对充电性能的影响温度越低，冲进去的电量越少 三、温度对放电性能的影响电池温度越低，电池能放出的电量和放电电压平台 也随之下降。 四、温度对电池容量的影响在低温条件下，电池容量会随温度降低而下降。 五、温度对电池寿命的影响过多热量会造成热积累，加快电池寿命衰减；对于电 池模块来说，温度不一致也会损害电池寿命。 因此，在电动汽车、混合动力汽车的研究中，必须要积极开展电池组散热系统的研 究。建立电池热模型，根据电池不同工况计算电池温度变化，热模型建立的依据为电池 热力学方程、热量交换原理以及能量守恒，通过计算电池发热率、确定电池热传导材料 热阻以及传热散热条件计算电池特定工况的温升 2。 研究人员对电池的发热机理、热量计算进行了研究，建立了不同尺度的模型，包括 集中热量模型、一维模型、二维模型、三维模型等 681113。文献6通过对某电池建立 三维模型，并进行仿真，认为对极耳、极柱和壳体进行优化设计可显著改善热分布。文 献813考虑了电池 SOC 对电池热力学参数的影响，建立了电池的三维模型，利用软 件 FLUENT 对锂电池进行了温度场分布仿真，用于分析电池的热物理参数，放电电流以 及电池所处环境对电池热分布的影响。 电池组热管理系统主要由以下几部分构成： （1）传热介质（2）流场环境（3）测温 元件与控制电路（4）散热执行器 1214。电池散热系统的研究开发要解决的问题主要包 括两个方面：第一、如何及时排出电池组充放电循环时产生的热量；第二、如何平衡模 块内部单体之间温度， 及时排出充放电过程中产生的热量可以避免热量积累造成的较大 的电池组温升，平衡电池单体质检的温度可以提高电池组温度一致性 5。 为了改善电池组的温度均匀性， 同济大学汽车学院对混合动力电池热量管理系统提 出了两种局部结构的变动途径，一种是改变通道的宽度，另一种是改变空气进出口处集 流板的倾斜角度。利用 FLUENT 软件对 15 种结构变动方案的流场进行模拟计算，选出相 对最好的结构方案。由此次实验可知，调压法作用更显著，规律性强 4。 在此基础上， 河海大学计算机及信息学院和同济大学电子与信息工程的教授设计了 BTMS 的控制流程，即在低温下小电流充电预热，高温下风机散热，并在系统过热时自动 报警，最后实验表明该方案能使电池温差控制在 3 oC 以内7。 雷治国， 张承宁教授针在重点分析各种已被采用的电池组的冷却和加热方式基础上 提出了热管理系统有待于提高之处，即珀尔贴效应热泵加热法,此法可以作为主动热管 理系统，对电池组进行加热和冷却，具有良好的应用前景 15。 针对电池的生热特性国内外有很多研究，Noboru Sato 分析讨论了电动汽车锂离子 充放电过程中的生热来源，并对电池产生的反应热、焦耳热和极化热进行了具体定量分 析，推出了三种热量的计算公式，并通过精确实验验证了理论公式的准确性 1。 本次研究对象选定为锂离子电池，锂离子电池具有比能量大、循环寿命长、单体电 压高、自放电小等优点，逐步应用于电动车等要求大体积、高容量的动力能源领域。但 是锂离子电池在应用中仍然存在的潜在安全问题， 锂离子电池在充放电过程热量的产生 可能会引发电池的热失控，因此，深入了解锂离子电池的放电过程及其热线应是十分必 要的。 10中国电子科技集团公司第十八研究所化学与物理电源重点实验室通过对锂离子 电池放电过程的模拟计算，研究了放电电流密度对电池温度的影响。结果表明放电电流 密度的增大。会导致电池温度升高 9。 三、主要研究内容 本文主要从热管理的角度对电动汽车电池成组设计进行研究，具体研究内容如下： 1、了解锂离子电池的工作原理及热特性，明白对电池组进行热管理的必要性。 2、建立电池单体的模型，并进行验证，与已有数据进行对比，验证模型的正确性。 3、对电池组进行成组设计。并仿真验证电池组的温度是否在合适的范围内。 4、对电池组进行优化设计，通过增加集流板的方法，使电池组的温度符合要求。 四、参考文献 1Noboru Sato.Thermal Behavior Analysis of Lithium-Ion Batteries for Electric And Hybrid VehiclesJ.Journal of Power Sources, 99 (2001) 7077. 2 季迎旭，王明旺，孙威.动力电池建模与应用综述.电源技术：13 3 杨凯，李大贺，陈实，等电动汽车动力电池的热效应模型北京理工大学学报， 2008,28(9)：782785 4陈磊涛，许思传，常国峰. 混合动力汽车动力电池热管理系统流场特性研究.汽车工 程.2009,31（3）:14 5王健. 基于热管理的电动汽车动力电池成组设计. 工学硕士学位论文.深圳研究生 院.2013;35 6 张遥，白杨，刘兴江.动力用锂离子电池热仿真分析J.电源技术.2008，32（7） ： 461463,487 7 朱晖,张逸成，朱昌平等. 电动汽车电池组热管理系统的研究. 实验室研究与探索 2011,30（6）:14 8 欧阳唐文， 张兴娟， 杨春信.基于 CFD 的锂电池温度场仿真J.电子机械工程， 2012， 29（2） ：1417 9 王松蕊，卢立丽，刘兴江. 锂离子电池放电过程的模拟研究.电源技术：14 10 贾永丽. 锂电池储能特性及关键技术研究. 硕士学位论文. ：河北联合大学冶金 与能源学院:2223 11 姜久春，文锋，温家鹏等. 纯电动汽车用锂离子电池的建模和模型参数识别. 电 电力科学与技术学报.2010,25(1):18 12张剑波，卢兰光，李哲. 车用动力电池系统的关键技术与学科沿.2016,22(10): 128 13 陈运星,马强,邓利军.基于 CFD 的车用锂离子电池组散热特性仿真研究. 农业装 备与车辆工程.2016,54(3):15 14 付正阳，林成涛，陈全世. 电动汽车电池组热管理系统的关键技术. 公路交通 科技.2005,22(3):15 15 雷治国，张承宁.电动汽车电池组热管理系统的研究进展.电源技术：14 毕毕 业业 设设 计计 开开 题题 报报 告告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径） ： 一、研究课题 本次研究课题是“基于热管理的电动汽车动力电池组电池的设计” ，电池组热管理 的研究开发要解决的问题主要包括两个方面： 如何及时排出电池组充放电循环时产生的 热量；如何平衡模块内部单体之间温度，及时排出充放电过程中产生的热量可以避免热 量积累造成的较大的电池温升，平衡电池单体之间的温度可以提高电池组温度一致性。 所以本次研究的主要内容是：提出一种温度均匀平衡方法，并建立三维模型,利用 CF