摘 要

传统汽车由于其能耗结构和尾气排放而带来的环境和能源两方面问题越来越不容忽视，使得社会对新能源汽车的需求越来越强烈。电动汽车的发展过程当中，最大的瓶颈便是动力电池的发展。动力电池是电动汽车的心脏，影响着电动汽车的整体性能。而动力电池的性能很大程度上受温度的影响。因此，热管理系统是动力电池的关键。良好的散热不仅能提高动力电池的性能，延长电池的使用寿命，更重要的是，能提高动力电池的安全性，减少事故的发生。

本文以18650锂离子单体动力电池为研究对象，建立了电池的生热方程。并对其进行三维建模，利用fluent进行仿真分析，得出电池生热时的温度云图。结果表明电池在300K的环境温度下放电时，电池中心温度最高，高达338K，油中心向外温度逐步降低，外表面温度306K，相差32K。针对这一情况，本文以夹套式液冷散热系统为基础，并对夹套的流道数目进行了改变，分别进行了散热仿真分析。结果表明，根据流道数目的不同，夹套式液冷散热装置能有效降低电池温度10~18K不等使电池温度大幅下降，改善了电池的工况。结合散热效果，并考虑夹套的稳定性和制造成本等因素，最终选择3流道夹套式液冷散热系统为最佳液冷散热系统。

本文分析锂离子动力电池的产热机理和散热机理时，对各部分都作了详细地介绍。但是在建立锂离子电池产热方程中，对锂离子电池做了简化。将锂离子电池视为恒定的发热源。在分析锂离子电池的散热过程中使，由于热对流和热辐射相较于热传导散热的数值较小，因此在计算过程中忽略了这两者的影响。另外，在建立锂离子电池模型时，也进行了简化处理，将锂离子视为质地均匀的实体。因此在工作展望中对这些部分的工作提出了展望。

关键词：锂离子电池；夹套式液冷系统；散热仿真；热管理

ABSTRACT

The development of electric vehicles, the biggest bottleneck is the development of power batteries. Power battery is the heart of electric vehicles, affecting the overall performance of electric vehicles. While the performance of the power battery is largely affected by the temperature. Therefore, the thermal management system is the key to power batteries. Good heat can not only improve the performance of power batteries, extend the battery life, more importantly, can improve the safety of power batteries to reduce the occurrence of accidents.

In this paper, 18650 lithium-ion battery as the research object, the establishment of a single cell heat generation equation. And its three-dimensional modeling, the use of fluent simulation analysis, the battery heat generated when the temperature cloud. The results show that the battery in the 300K ambient temperature discharge, the battery center temperature is highest, up to 338K, oil center outward temperature gradually reduced, the external surface temperature 306K, a difference of 32K. In view of this situation, this paper is based on the jacketed liquid cooling and cooling system, and the number of the flow path of the jacket has been changed, respectively, the thermal simulation analysis. The results show that, according to the number of flow channels, jacketed liquid cooling device can effectively reduce the battery temperature of 10 ~ 18K so that the battery temperature dropped significantly, to improve the battery conditions. Combined with the cooling effect, and consider the stability of the jacket and manufacturing costs and other factors, the final choice of 3-channel jacketed liquid cooling system for the best liquid cooling system.

This paper analyzes the heat generation mechanism and heat dissipation mechanism of lithium ion battery, and makes a detailed introduction to each part. However, in the establishment of lithium-ion battery heat generation equation, the lithium-ion battery has been simplified. Think of a lithium-ion battery as a constant heat source. In the analysis of the heat dissipation of the lithium ion battery, the thermal convection and thermal radiation are smaller than those of the heat conduction, so the influence of both is neglected during the calculation. In addition, in the establishment of lithium-ion battery model, also carried out a simplified treatment, the lithium ion as a uniform texture of the entity. So the work of these parts of the prospect of the prospects.

Key Words：Lithium - ion battery；jacketed liquid - cooled system ；thermal-simulation ；thermal management

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与内容 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究内容 1

1.2 电池热管理系统的分类 2

1.3 电池热管理系统的发展趋势 2

第2章 锂离子动力电池的产热机理和传热机理 3

2.1 锂离子电池的结构与工作原理 3

2.1.1 锂离子电池的结构 3

2.1.2 锂离子电池的工作原理 4

2.1.3 18650动力电池的基本信息 4

2.2 锂离子动力电池的产热机理 5

2.2.1 产热机理 5

2.2.2 锂离子电池的产热量公式与产热速率公式 6

2.3 电池的传热机理 7

2.3.1 热传导 7

2.3.2 热对流 7

2.3.3 热辐射 8

2.4 电池热模型的建立 8

2.4.1 电池能量方程 8

2.4.2 电池比热容的确定 9

2.4.3 导热系数的确定 9

2.4.4 锂离子电池导热微分方程 9

2.5 本章小结 10

第3章 锂离子电池温度场仿真分析 11

3.1 单体锂离子动力电池的三维建模 11

3.1.1 18650锂离子动力电池物理参数 11

3.1.2 单体锂离子电池的网格划分 12

3.2 电池参数设置 13

3.3 本章小结 18

第4章 锂离子电池夹套结构散热仿真分析 19

4.1 夹套式液冷散热系统 19

4.1.1 夹套式液冷散热系统的结构与工作原理 19

4.1.2 单体电池结构 20

4.1.3 电池模块结构 20

4.2 二流道夹套式液冷散热系统仿真分析 21

4.2.1 结构模型 21

4.2.2 网格划分 22

4.2.3 仿真计算 23

4.2.4 结果分析 25

4.3 多流道夹套式液冷散热系统的仿真分析 27

4.3.1 三流道夹套式液冷散热系统 27

4.3.2 四流道夹套式液冷散热系统仿真分析 29

4.3.3 五流道液冷系统散热仿真分析 31

4.3.4 六流道夹套式液冷散热系统分析 33

第5章 总结与展望 37

5.1 全文总结 37

5.2 不足与展望 37

参考文献 39

致 谢 40

第1章 绪论

1.1 研究背景与内容

1.1.1 研究背景

在全球经济飞速发展的今天，能源的需求量也与日俱增。工业发展在带来经济增长的同时，也对环境造成了不可逆地破坏。我国随着工业化步伐的加快，这一问题也愈来愈明显，环境保护和可再生能源的保护已经成为不可忽视的课题。汽车作为人们日常生活中的代步工具，是能源消耗的主要来源之一。数据显示，我国汽车的保有量呈逐年递增趋势，加大了我国的能源消耗和对进口石油的依赖，同时汽车尾气排放也给大气环境带来了极大地破坏。因此，汽车保有量的增加在拉动经济迅速增长和给国民生活带来便捷的同时，也带来了不可忽视的能源危机问题和环境污染问题。

电动汽车作为一种消耗电能的汽车，具有能耗低、无污染、效能高的特点，有着许多传统汽车无法比拟的优点。随着汽车保有量越来越多，若不改变汽车的能源消耗结构，汽车的能耗比重会越来越高。同时，汽车所带来的环境污染问题也不容小觑，汽车尾气中的氮氧化物、硫化物等多种成分会给大气环境造成直接的破坏，因此，电动汽车的发展已经成为必然趋势。而作为电动汽车的心脏—动力电池，很大程度上决定了电动汽车的性能。因此，提高动力电池的性能是发展电动汽车的关键^[1]。

1.1.2 研究内容

影响动力电池性能的因素有很多，其中热相关问题是十分重要的一块，这是因为锂离子动力电池对温度非常敏感，温度过高或者过低都会对其性能产生巨大地影响。当锂离子的工作温度较高时，电池内部的热量得不到释放，电池可能会由于局部温度过高而引发内部的各种反应^[2]，从而引起爆炸和火灾，因此电池热管理系统需要在电池温度较高时对其进行有效地冷却散热，避免事故发生：当电池的工作温度较低时，会缩短电池的使用寿命病减少电池的容量，使其循环使用次数降低，此情况下热管理系统需要对其进行加热；由于电池组中各部分温度不尽相同，这种温差会缩短电池组的寿命，降低其效能，因此热管理系统需要尽可能使电池组各部分温度相同。由此可见，热管理系统在提高电池性能方面有着举足轻重的作用。