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电动车动力锂电池散热仿真分析毕业论文

 2020-02-17 07:02  

摘 要

随着科技的发展,世界汽车保有量的快速增加,能源的需求量日益增加;矿物能源的有限与环境污染的问题逐渐成为如今全世界的关注焦点,锂离子电池正是在这种条件下产生的。锂离子因为工作电压高、能量密度大、可循环使用、使用过程无污染、无记忆效应的优点,而被作为电动汽车的动力来源。因为单个锂电池的额定电压和额定功率对于整个电动汽车来说过小,所以为了增大动力锂电池的工作电压和功率,以达到电动汽车的动力要求,采用将单个电池串联为电池组再组成电池包的解决办法。并且整个电池包是处在一个相对封闭的环境下,电池放电时产生大量的热,电池如果不能及时将产生的热量排出,将会影响电池的工作状态,甚至发生着火、爆炸等现象。因此,设计一款稳定、高效的电池散热系统对于电池组乃至于整个电动汽车来说都相当的重要。

本文介绍了现今电池热管理的主要方式: 如风冷散热、水冷散热;在此基础之上加入散热翅片、热管等辅助方式来探讨电池的热管理机制,并详细介绍了锂离子电池的结构特点,以及锂离子电池在电动汽车上的运用现状。

电池散热技术是提高动力电池性能与寿命的重要技术之一,也是车辆工程行业研究的前沿和热点。本文除了介绍动力锂电池热特性, 并阐述散热系统对于动力电池的重要性,介绍电动汽车动力锂电池的常用散热方式及其原理和特性,并以仿真方式来探讨基于热管技术的动力锂电池散热系统特性,对热管散热系统进行热仿真。控制一定的因变量,如热管直径、翅片厚度、翅片间距、翅片数量等,在不同的空气流速下,对电池散热系统进行仿真,监测电池组的最高温度、平均温度以及温度在整个电池组当中的分布情况等。最后,以仿真结果为根本,分析不同条件对热管电池散热的影响,阐述热管技术应用于电动汽车动力锂电池散热的优势与不足。

关键词:锂离子电池,电池组,散热,热仿真,热管,翅片

Abstract

With the development of science and technology, the world's car ownership is increasing rapidly, and the demand for energy is increasing. The problem of limited mineral energy and environmental pollution has gradually become the focus of attention all over the world. Lithium-ion batteries are produced under such conditions. of. Lithium ion is used as a power source for electric vehicles because of its high operating voltage, high energy density, recyclability, no pollution during use, and no memory effect. Since the battery is composed of a battery pack in series and parallel form on the electric vehicle, the plurality of battery packs are arranged in a large battery pack. The battery is arranged very closely in the battery pack, the entire battery bag is in a relatively closed environment, and a large amount of heat is generated when the battery is discharged. If the battery cannot discharge the generated heat in time, it will affect the working state of the battery, and even fire, explosion and the like. Therefore, designing a stable and efficient battery cooling system is quite important for battery packs and even for electric vehicles.

This paper introduces the main methods of battery thermal management today: such as air-cooling heat dissipation, water cooling and heat dissipation; on this basis, adding heat-dissipating fins, heat pipes and other auxiliary methods to explore the thermal management mechanism of the battery, and detailing the structure of the lithium-ion battery Features, and the current status of the use of lithium-ion batteries in electric vehicles.

Battery cooling technology is one of the important technologies to improve the performance and life of power batteries, and it is also a frontier and hot spot in the research of vehicle engineering industry. In addition to introducing the thermal characteristics of power lithium batteries, and expounding the importance of heat dissipation system for power batteries, this paper introduces the common heat dissipation methods and principles and characteristics of electric vehicle power lithium batteries, and discusses the heat dissipation of power lithium batteries based on heat pipe technology. System characteristics, thermal simulation of the heat pipe cooling system. Control certain dependent variables, such as heat pipe diameter, fin thickness, fin spacing, number of fins, etc., simulate the battery cooling system under different air flow rates, monitor the maximum temperature, average temperature and temperature of the battery pack throughout Distribution in the battery pack, etc. Finally, based on the simulation results, the influence of different conditions on heat dissipation of heat pipe battery is analyzed, and the advantages and disadvantages of heat pipe technology applied to heat dissipation of electric vehicle lithium battery are expounded.

Key words:Lithium-ion battery, battery pack, heat dissipation, thermal simulation, heat pipe

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 蓄电池发展历史 2

1.3 动力电池的热管理 3

第2章 电动汽车动力电池综述 5

2.1 动力电池综述 5

2.2 铅酸水电池 5

2.2.1 镍氢蓄电池 6

2.2.2 锂离子电池 7

2.3 锂离子电池详解 8

2.3.1 锂离子电池工作原理及反应方程式 8

2.4 锂离子电池发热机理 9

第3章 热管综述 11

3.1 本章概述 11

3.2 热管工作原理 11

3.3 热管传热机理 12

3.3.1 热管传热机理概述 12

3.3.2 毛细极限 13

3.3.3 粘性极限 14

3.3.4 声速极限 15

3.3.5 携带极限 15

3.3.6 沸腾极限 16

3.3.7 热管的其它极限 18

3.4 热管的选型 18

3.5 热管的设计理念 19

第4章 锂离子电池模型的建立 21

4.1 电池选型 21

4.1.1 电池类型的选择 21

4.1.2 电池形状选择 21

4.2 各组件模型建立 22

4.2.1 锂离子电池尺寸确定及模型建立 22

4.2.2 热管模型的建立 25

4.2.3 铜板模型的建立 26

4.2.4 散热器模型的建立 27

4.2.5 热管的布置 28

4.2.6 风扇的选择及模型建立 28

第5章 锂离子电池组的仿真及结果分析 30

5.1 本章概述 30

5.2 风扇特性概述 30

5.3 锂离子电池组的风冷仿真研究 31

5.3.1 不加辅助散热装置和材料的风冷散热仿真 31

5.3.2 增加热管的风冷散热仿真 34

5.3.3 增加热管及翅片的风冷散热仿真 39

5.3.4 增加热管、翅片及铜板的风冷散热仿真 42

5.4 锂离子电池组液冷仿真研究 45

5.4.1 增加热管和铜板的水冷散热仿真 45

5.5 仿真结论 48

第6章 总 结 50

致 谢 51

参考文献 52

绪 论

研究背景及意义

随着科技及人类社会的发展,人类的工业也有飞速的发展,而随之而来的环境污染也日益严重,尤其是空气污染,带来的最大后果就是温室效应。温室效应带来的严重后果有很多,南北极的冰川融化、海平面的上升、极端天气的增多及程度加大以及全球温度上升等。然而,造成的温室效应的主要原因是温室气体的排放超标,而温室气体排放的排放来源主要是矿物能源如煤炭的燃烧,工业废气的排放,还有个主要的原因就是汽车尾气的排放。如今科技飞速发展,汽车工业也的得到了快速的发展,因而汽车制造成本下降,汽车价格有着明显的下降,更因为全球经济的快速发展,人们的生活水平提高,经济水平提高,所以对于汽车的购买力得以很大的提升。全球汽车保有量也不断增长,截至2018年底,全球汽车保有量超过10亿,其中美国达2.5亿辆,中国达2.4亿辆(其中电动汽车221万辆)。图 1.1近五年我国机动车保有量(单位:亿辆)是我国2012年至2017年机动车保有量的柱状图,如图可见,我国机动车保有量不断增多,2017年已达3亿,而这个数字还在不断地增加,汽车带来的环境污染也日益严重。因此如果能够解决汽车的尾气排放,对于全球温室效应将会是很重要的一步。解决汽车尾气排放最根本的方法就是替代矿物燃料燃烧来获取动力的方式,例如用电动汽车代替燃油汽车便是一个很好的选择。电动汽车将电池提供的电能通过电机转化为机械能,可做到零排放;因此各国政府及全球各大车企纷纷投入电动汽车的研发行列。

图 1.1 2012年至2017年我国机动车保有量(单位:亿辆)

动力电池作为电动汽车的动力支持, 其重要性更是超过了将电能转化为机械能的电动机。而锂离子电池由于性能突出,所以目前被广泛应用于电动汽车动力电池。电动汽车动力锂电池的工作条件相对于传统内燃机来说要苛刻得多,尤其是对于温度的要求极为重要。电池过热会导致电池工作性能下降,工作寿命减短,特别是当电池的温度急剧升高,到达300℃时,即使是电池隔膜不融化收缩,电解液本身、电解液与正负极也会发生化学发应,化学反应会相当剧烈,释放出气体,在电池内部形成高压而发生爆炸,会威胁到行车安全。然而电池工作时会产生很多热量,导致电池工作环境温度过高,所以电池散热技术是保证电池工作性能和工作寿命的关键技术。1995 年之前,对于纯电动汽车的研制只是处于刚涉足的阶段,至于电动汽车动力锂电池的热管理的研究更是处在一个初级阶段。那时候的电动汽车还算是一些个别企涉足的领域,在这之后纯电动汽车才稳步发展,直到2000年之后纯电池才算是真正进入了快速发展阶段。随着2009年国家提出节能减排计划之后,国内各自主品牌和合资车企都对电动汽车电池技术的研究也开始进入飞速发展的阶段。如今,国六排放标准的实施,国家对电动汽车的补贴,使得电动汽车的研制变得刻不容缓,各大车企纷纷向电动汽车技术的研发投入巨大的资本,电池散热技术也得以飞速发展。国外如知名的特斯拉等车企也致力于发展纯电动汽车。

蓄电池发展历史

蓄电池(Storage Battery)是一种将化学能和电能进行互相转换的装置,可以进行多次充放电循环。充放电通过一个可逆反应来实现的,通过通电可以使反应逆向进行实现充电。它的工作原理:在蓄电池的内部存储着电解质,使用时电池两极外部电路相当于电桥,蓄电池内部发生电化学反应,电子定向移动形成电流;充电时电池两端通电,迫使蓄电池内部的可逆反应逆向进行,将电池转化为化学能储存起来。蓄电池的出现可以追溯到19世纪中期,1860年,法国发明家普朗泰(Gaston Plante)发明出了一种用铅为材料做电极的电池。这种电池的独特之处在于当电池经过不断使用,一段时间过后电压下降时,给它通上反向电流,可以使这种电池电压回升。因为这种电池可以在低电压时充电,并且可以重复使用,所以称其为“蓄电池”。1890年,美国发明家托马斯·阿尔瓦·爱迪生(Thomas Alva Edison)发明了可充电式的铁镍电池,1910年可充电式的铁镍蓄电池开始商业化生产。1905年,第一个蓄电池被用在了汽车上,但只是用于照明。1914年,第一次将启动型蓄电池用在了汽车上,利用蓄电池内储存的电能带动电动机,用以启动汽车发动机。1922年,第一个摩托车用蓄电池由BOSCH研发并生产出来,并使用在了摩托车上,也使摩托车拥有了电子启动系统。1926年,第一台蓄电池充电器问世,使蓄电池的充电变得更加方便快捷。1927年以后,BOSCH公司开发出汽车用蓄电池,为汽车上的电子器件进行供电,为日后汽车电子系统的发展奠定了基础。19世纪末,蓄电池的栅架在19世纪末设计生产出来,如今铅蓄电池某些部件的原理依旧出自于此。但至那以后,铅蓄电池发展迟缓,基本没有什么发展。但为了增加蓄电池的储电能力,不断增加蓄电池的能量密度,如今已经增加了好几倍。1912年吉尔伯特·路易斯(Gilbert N. Lewis)最早提出锂电池并进行研究。在20世纪70年代,英国化学家惠廷厄姆(M. S. Whittingham)也涉足锂电池领域。他提出了锂电池的想法,而且开始进行研究。锂电池能量密度大,可达150~200Wh/kg(540~720kj/kg);开路电压高,可达3.3~4.2V;输出功率大,可达300~1500W/kg;无记忆效应,在未放空电电情况下仍可随时充放电,使用和维护都更加方便;工作温度范围较宽,可在-20℃~60℃之间正常工作;充放电速度快。锂电池能够成为如今特斯拉等纯电动车制造车企电动车动力锂电池的选择,正是因为它的这些优势。而锂离子电池当中三元锂电池性能更加突出,更成为了各大车企电动汽车动力锂电池的首选,如特斯拉、比亚迪等靠纯电动汽车著名的车企都选择了使用多个三元锂电池组成电池组的方式,本文的锂离子电池也选择了三元锂电池。

动力电池的热管理

对于电动车动力电池的散热方案,最基础的吸热物质还是水和空气,成本低,易控制。所以冷却方案也只有使用空气进行冷冷却(风冷)和使用水进行冷却(水冷)。风冷散热,通过在电池组的内部增加散热风扇和通风口,利用散热风扇使冷空气以一定流速进入电池组内部,通过热传导,将电池组产生的热量传导到冷空气当中,再经通风孔流向电池组外部,带走热量,达到冷却的目的。水冷散热,在电池内部添加管道,使冷却液通过管道,以一定流速流动,通过接触将电池产生的热量吸收,再通过管道流出到电池组外部,利用外部空气循环使冷却液降温,以此方式进行循环达到散热的目的。在风冷方案和水冷方案两种基本散热方式的基础上,也可以增加一些辅助散热方式,比如在电池组内部添加相变材料,提高散热效率。

而本文主要研究的是基于热管技术的电池散热技术,所选定的发热源为锂离子电池通过在电池组内部添加热管,再经热管将电池组内部的热量传导到电池组外部 (热管与电池组外部散热器相连),再利用风扇或者冷却液(多为水溶液)进行冷却。热管是属于气液两相流超导热元件,应用上需视热源位置配合散热器调整其外形 ,使其尽可能的布置到电池组的所有电池之间,以此来增加热管与电池之间的接触面,从而提高热传导效率。热管相对于空气和冷却液来说,有着更高的热传导系数,所以热管散热方案能够有更高的热传导效率。但是,现今热管散热技术还多用于电子器件等精密仪器中,将热管技术运用到电池散热当中在国内外都还处在探索阶段。

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