摘 要

近年来,我国电动汽车行业的快速健康发展,引起了亟待解决的重大能源消费供需失衡问题和严重的环境污染问题。因此,为了鼓励我国大力发展下一代电动汽车,减少污染物的产生和排放,调整电动汽车能源利用结构已经是当前我国的重要战略和发展方向。新能源作为下一代电动汽车的动力源,动力电池的其使用性能与其安全性直接关系决定了一辆电动汽车及其整车的动力电池使用性能与其安全性。一辆动力电池的使用性能与其温度密切的相关,温度过高或者温度过低都会直接导致动力电池的使用寿命或者衰减过快。并且,当温度超过电池所能承受的上限使用温度时,会有可能引起电池起火或者爆炸等重大安全事故。因此,电池热管理系统对于一辆电动汽车动力性能的提升有着至关重要的作用和影响。

本文主要分析了三元锂离子电池的性能与结构特点、电池的单体产热与散热原理、热管的导热原理、液冷式热管理系统所需要涉及的流体力学以及相关技术理论等。以某纯电动汽车所需要使用的38Ah方壳三元锂离子电池单体作为本文主要研究的对象,建立了三元锂离子电池的单体热管理模型。

采用软件仿真分析，基于单个电池组，分析了没有平板热管仅用液冷散热时，不同放电倍率下电池组的温度分布均匀性，可为优化后的热管理系统散热效果提供参考。同时，分析基于平板热管的液冷式散热系统下单个电池组的温度均匀性，与前者对比来分析加装平板热管的散热系统对于电池组温度的影响。

针对基于平板热管的液冷式散热系统在电池组上的结合方式，分析不同环境温度、不同冷却液进液温度对电池组温度分布均匀性的影响。结果显示，随着放电倍率的提升，动力电池系统最高温度、最大温差及各电池单体平均温度最大温差逐渐升高，并在 3C 时达到最大，但平板热管的高效传热作用使动力电池系统内整体温度分布趋于一致，在不同工况下动力电池系统温度分布均匀性变化幅度较小。同时，即使动力电池系统内部最大温差较大，当各电池单体平均温度最大温差较低时，动力电池系统的温度分布均匀性依然较好，这验证了平板热管对提升液冷式热管理系统热均衡性能的有效性。

关键词：动力电池；平板热管；液冷；温度均匀性

Abstract

In recent years, the rapid and healthy development of China's electric vehicle industry has led to major energy consumption imbalance and serious environmental pollution. Therefore, in order to encourage China to develop the next generation of electric vehicles and reduce the generation and emission of pollutants, it is an important strategy and development direction to adjust the energy utilization structure of electric vehicles. As the power source of the next generation of electric vehicles, the performance and safety of the power battery directly determine the performance and safety of the power battery of an electric vehicle and its whole vehicle. The performance of a power battery is closely related to its temperature. Too high or too low temperature will directly lead to its service life or rapid attenuation. Moreover, when the temperature exceeds the upper limit of the battery, it may cause serious safety accidents such as battery fire or explosion. Therefore, the battery thermal management system plays an important role in improving the power performance of an electric vehicle.

This paper mainly analyzes the performance and structure characteristics of ternary lithium-ion battery, the principle of cell heat generation and heat dissipation, the principle of heat conduction of heat pipe, the hydrodynamics and related technical theories needed by the liquid cooled heat management system. Taking the 38ah square shell ternary lithium-ion battery used in a pure electric vehicle as the main research object, a thermal management model of ternary lithium-ion battery was established.

Based on a single battery pack, the temperature distribution uniformity of the battery pack under different discharge rate is analyzed by using software simulation analysis, which can provide reference for the optimized heat management system. At the same time, the temperature uniformity of a single battery under the liquid cooling cooling system based on the flat heat pipe is analyzed. Compared with the former, the influence of the cooling system with the flat heat pipe on the temperature of the battery is analyzed.

According to the combination mode of liquid cooling system based on flat heat pipe on battery pack, the influence of different ambient temperature and coolant inlet temperature on the temperature distribution uniformity of battery pack is analyzed. The results show that with the increase of the discharge rate, the maximum temperature and temperature difference of the power battery system and the maximum temperature difference of the average temperature of each cell gradually increase, and reach the maximum at 3C, but the high-efficiency heat transfer of the flat heat pipe makes the overall temperature distribution in the power battery system tend to be the same, and the temperature distribution uniformity of the power battery system changes less under different working conditions. At the same time, even though the maximum temperature difference inside the power battery system is large, when the average maximum temperature difference of each cell is low, the temperature distribution uniformity of the power battery system is still good, which verifies the effectiveness of the flat heat pipe in improving the heat balance performance of the liquid cooled heat management system.

Key Words：power battery； flat heat pipe； liquid cooling； temperature uniformity

目录

第一章绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 锂离子电池发展现状 3

1.3动力电池热管理系统研究现状 4

1.3.1动力电池热管理系统发展趋势 4

1.3.2液冷式热管理系统研究现状 5

1.3.3热管式热管理系统发展现状 6

1.4 本文主要研究内容 8

第二章 动力电池热管理系统研究理论分析 10

2.1锂离子电池结构特点 10

2.2 锂离子电池工作原理 11

2.2.1 锂离子电池性能指标 11

2.2.2 锂离子电池充放电原理 12

2.2.3 锂离子电池产热原理 13

2.2.4 锂离子电池传热原理 14

2.3 计算流体力学基本理论 16

2.4 热管传热理论分析 18

2.4.1 热管理论 18

2.4.2 传热极限 21

2.4.3 充液率的计算 22

2.4.4 热阻分析 22

2.5 本章小结 25

第三章 锂离子电池模型构建与热管理系统仿真分析 27

3.1 电池单体模型与计算 27

3.1.1 单体热模型构建 27

3.1.2 电池产热 28

3.1.3 热物性参数 30

3.1.4 边界条件与计算控制条件设置 32

3.2 电池组热模型与计算 32

3.2.1 电池组结构 33

3.2.2 电池参数设置 33

3.2.3 边界条件与计算控制条件设置 34

3.3 无平板热管时仿真结果分析 34

3.4 应用平板热管时仿真分析 37

3.4.1 布置方案确定 37

3.4.2 平板热管模型 39

3.4.3 应用平板热管仿真结果分析 40

3.5 本章小结 41

第四章 不同工况下动力电池系统热管理性能分析 42

4.1 动力电池系统热模型构建 42

4.1.1 几何模型 42

4.1.2 分析工况 42

4.1.3 边界条件与计算控制条件设置 43

4.2 不同放电倍率下动力电池系统温度分布均匀性分析 43

4.3 不同冷却液进液温度下动力电池系统温度分布均匀性分析 46

4.4 本章小结 48

第五章 总结 49

参考文献 50

致谢 52

第一章绪论

1.1 研究背景与意义

近年来,随着汽车制造工业的快速发展,中国汽车行业的发展正面临着推动汽车产业链结构转型、环境污染、能源危机、低碳环保发展的机遇和挑战^[1],发展成熟的新能源汽车已经在国际上成为了降低对汽车行业使用石油的依赖、减少汽车尾气排放污染的必由之路。据英国石油能源咨询公司在2016年发布的《世界能源展望报告》和《世界能源统计报告》了解,全球的机动车石油能源消耗量中有百分之六十几的部分用在了交通运输和环保方面^[2]。而对于目前的我国,据公安部交通管理局最新的数据分析报告显示,到2019年为止,我国新能源汽车的保有量已经达到2.6亿辆。根据目前国务院发展研究中心的统计,预计2020年全球机动车的燃油能源消耗量约为2.56亿吨。在如此大规模消耗能源的背景下,改善环境问题成为了一项艰巨而困难的任务。

为了有效减少能源供需和环境方面的消耗和压力,降低污染物和对温室污染气体的排放，汽车工业必须像新能源汽车方向去进行改革，逐渐减少燃油车的生产。新能源汽车与传统的燃油车相比有着很大优势和发展前景。新能源汽车消耗的是电能，可以实现零排放，并且已经有模型推算新能源汽车的量产与应用能够使温室气体的排放量减少大概百分之四十^[3]。目前，世界各国都在新能源汽车方面投入大量人力物力财力，以期能够在新能源汽车方面率先发展，率先占领新能源汽车市场。我国也在大力发展新能源汽车，到2018年，我国已经成为全球最大的新能源汽车市场。图1.1为2018-2019年6月中国新能源汽车销量及增长情况。