摘 要

本文分析总结了新能源汽车的发展现状、各种动力电池的特点及应用情况，对动力电池及其热管理系统进行了建模仿真研究，提出了锂电池热管理系统的优化方案，所设计的强制空冷热管理系统能有效控制电池组的工作温度，对提高电池组的性能及新能源汽车的整体性能意义重大。

论文以18650锂电池为对象主要研究了锂电池的结构组成、工作原理及发热机理，建立了单体电池的三维仿真模型，借助STAR-CCM 软件仿真了单体电池在不同放电倍率下的温度场，并与实验数据进行对比，验证了该模型的准确性。本文研究了自然对流冷却下的电池组温度场分布，设计了四种强制风冷方案，并对比分析了不同方案电池组的温度场分布及电池箱内速度场分布，在此基础上，提出了三种优化方案。

研究结果表明：环境温度相同时，放电倍率越大，单体电池的温升越高，电池内外温差越大；自然对流冷却时，放电倍率越大，电池组的温升越高，单体电池间的温度差越大；强制风冷时，电池组的温升能有效降低，但单体电池间的温差增大；改进后的方案，能有效降低电池组的温升及温差。

关键词：新能源汽车；锂离子电池；热管理；强制风冷

Abstract

This paper analyzes and summarizes the current state of development of new energy vehicles,the characteristics and applications of various power batteries.The modeling and simulation study of the power battery and its thermal management system was conducted, ,the optimization scheme of the lithium battery thermal management system was put forward,the designed air-cooled thermal management system can effectively control the operating temperature of the battery pack, it is of great significance to improve the performance of battery packs and the overall performance of new energy vehicles.

In this paper, 18650 lithium battery is used as the object to study the structure, working principle and heating mechanism of lithium battery. A three-dimensional simulation model of single cell is established. The temperature field of single cell under different discharge ratios is simulated with STAR-CCM software.and compared with the experimental data to verify the accuracy of the model. In this paper, the temperature field distribution of the battery under natural convection cooling is studied. Four kinds of forced air cooling schemes are designed. The distribution of temperature field and the distribution of the velocity field in the battery box are compared and analyzed. Based on this, the paper proposes Four optimization options.

The results show:when the ambient temperature is the same,the larger the discharge rate,the higher the temperature of the cell, the greater the difference in temperature of the battery;When natural convection cooling,the greater the discharge rate,the higher the temperature rise of the battery pack and the greater the temperature difference between the individual cells;When forced air cooling,the temperature rise of the battery pack can be effectively reduced,but the temperature difference between the individual cells increases;The improved solution can effectively reduce the temperature rise and temperature difference of the battery pack.

Key Words：new energy vehicles; lithium ion batter; thermal management; forced air cooling

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 新能源汽车发展现状及趋势 1

1.2.1 新能源汽车分类 1

1.2.2 新能源汽车发展现状 2

1.2.2 新能源汽车发展趋势 3

1.3 电动汽车动力电池分类及应用 3

1.3.1 铅酸电池 3

1.3.2 镍氢电池 4

1.3.3 锂离子电池 4

1.4 电动汽车动力电池热管理系统 5

1.4.1 动力电池热管理系统的意义 5

1.4.2 动力电池热管理系统的分类 6

1.4.3 动力电池热管理系统的研究现状 7

1.5 本文研究内容 8

第2章 锂电池热特性研究 9

2.1 锂电池的结构及工作原理 9

2.1.1 锂电池的分类及结构 9

2.1.2 锂电池的工作原理 10

2.2 锂电池生热特性分析 11

2.3 锂电池传热特性分析 12

2.4 锂电池热物性参数计算 12

2.5 本章小结 13

第3章 锂电池单体温度场分析 15

3.1 锂电池单体几何模型建立及网格划分 15

3.1.1 锂电池单体几何模型的建立 15

3.1.2 锂电池单体网格划分 15

3.2 锂电池热物性参数及边界条件设定 16

3.2.1 锂电池热物性参数的设定 16

3.2.2 锂电池生热功率的设定 17

3.2.3 边界条件设定 17

3.3 锂电池单体温度场仿真分析 18

3.3.1 放电倍率对温度场的影响 18

3.3.2环境温度对温度场的影响 20

3.4 本章小结 22

第4章 锂离子电池组温度场分析 23

4.1 电池组几何模型建立及网格划分 23

4.1.1 电池组几何模型的建立 23

4.1.2 电池组网格划分 24

4.2 电池组自然对流冷却温度场分析 25

4.2.1 边界条件的设定 25

4.2.2 电池组自然对流冷却温度场分析 25

4.3 电池组强制空冷的温度场分析 28

4.3.1 不同冷却方案设计 28

4.3.2 不同冷却方案的温度场仿真分析 30

4.4 电池组强制空冷的优化方案及温度场分析 33

4.4.1 强制空冷的优化方案 33

4.4.2 优化方案的温度场仿真分析 34

4.5 本章小结 37

第5章 总结与展望 38

5.1 总结 38

5.2 展望 39

致 谢 43

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

改革开放以来，经过持续多年的发展，我国的经济总量已经跃居世界第二，成为具有国际影响力的大国。随着经济的腾飞，人民的生活水平不断改善，作为现代社会人类出行的基本工具的汽车，在我国迅速普及，已经走进千家万户。然而全球汽车行业正面临能源、环境保护、可持续发展等一些严峻问题^[1]。我国已成为世界上最大的汽车产销国，据统计，2014年以来，中国汽车产销量连续突破2000万辆；其中2015年汽车销售量超过2400万辆，汽车保有量也达到1.1亿量，汽车燃料的年消耗量达一亿多吨，然而我国石油储量仅占世界储量的4.5%，交通领域的石油需求快速增长，直接导致我国原油进口量增长迅速，因此，为防止能源危机，发展新能源汽车具有战略意义。汽车工业可持续发展面临的另一重大挑战是环境污染，在我国表现的尤为明显，大部分城市空气质量逐日下降，严重影响人类健康，汽车的尾气污染越来越受到人们的关注，在这样险峻的环境污染形势下，新能源汽车成为未来汽车行业发展的趋势。

环境和能源问题催生了新能源汽车，而纯电动汽车由于其能源效率高、使用维修方便和电力来源广泛等优点成为最受人瞩目的新能源汽车之一。动力电池作为纯电动汽车的动力源，其性能的发挥制约了电动汽车动力性、经济性和安全性，是影响纯电动汽车发展的核心问题^[2]。锂离子电池在储能和循环寿命等方面具有较大优势，成为车用动力电池未来发展的主要方向，但是锂离子电池的工作性能和安全性受温度影响较大。锂离子电池工作温度过低，锂离子电池内部氧化还原反应速率降低，电池的能量密度会明显降低，甚至引起电池容量的永久性损失，并严重影响安全性能；电池工作温度过高，会使锂离子电池内部的氧化还原反应过快，降低电池的循环性能，并造成安全隐患。在这种情况下，需要通过电池热管理系统控制锂电池组的温度，因此，电池热管理技术成为提高动力电池性能、保障动力电池正常工作并延长其循环寿命的关键技术，对提高电动汽车的整体性能意义重大^[3]。

1.2 新能源汽车发展现状及趋势

1.2.1 新能源汽车分类

通常来说，新能源汽车分为混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等几种类型 ^[4]。

（1）混合动力汽车是指在一辆汽车上同时配备电力驱动单元和辅助动力单元，目前，辅助动力单元多采用传统内燃机。混合动力汽车不仅比传统内燃机汽车的热效率更高，废气排放也更少。与纯电动汽车相比，混合动力汽车由于有辅助动力单元，可使电动汽车的续航里程延长2-4倍，而且能快速添加汽油或柴油，避免了纯电动汽车充电时间长的缺陷。但是由于同时装置了两种动力单元，其结构和控制均较为复杂。此外，在有内燃机参与工作的情况下，仍然存在废气排放。

（2）纯电动汽车是指采用车载可充电蓄电池（铅酸电池、镍镉电池、锂电池）作为动力源，以电动机为唯一驱动力的新能源汽车。纯电动汽车在行驶过程中不产生废气，并且纯电动汽车行驶过程中产生的噪声很低。纯电动汽车的能源效率高于传统汽油车，与传统汽车和其他新能源汽车相比，其结构简单，动力传动部件较少，维护保养技术相对简单。但是，纯电动汽车在技术和经济上尚存在一些瓶颈，目前纯电动汽车尚未形成经济规模，价格和使用成本较高，此外，由于动力电池能量密度低，单位重量存储的能量小，导致续航里程不理想，并且充电设施不完善。

（3）燃料电池汽车是指动力源为燃料电池的新能源汽车。燃料电池的燃料通过发生氧化还原反应直接产生电能，其能源转换效率高并且无污染。但是，由于燃料电池氢燃料储存困难，燃料电池管理系统较为复杂，燃料电池的关键技术还有待突破。

1.2.2 新能源汽车发展现状

在当前全球能源危机和环境污染问题的巨大挑战，以欧美日为代表的发达国家为了在全球竞争中保持领先地位，加快汽车技术改革，纷纷将新能源汽车列入国家战略。随着各国政府的大力支持和技术的日益进步，使全球新能源汽车产销量迅速提高。最近几年，全球新能源乘用车销量持续增长，2017年销量更是突破120万辆。全球新能源乘用车销量如图1.1所示。

图1.1 2014-2017全球新能源乘用车销售量

作为全球汽车产销量第一的中国，新能源汽车早已被作为国家的战略新兴产业 ^[5]。经过10余年的努力，我国新能源汽车行业发展迅速。根据中国汽车工业协会的数据显示，2017年我国新能源汽车产销量突破75万辆。对比统计数据发现，我国新能源汽车绝大多数为纯电动汽车。2017年我国新能源汽车产销情况如表1.1所示。

表1.1 2017年中国新能源汽车产销情况

当前，我国新能源汽车产业取得了巨大的进步，但是与汽车工业发达国家相比仍存在一些问题。目前，我国在新能源汽车的研究开发方面缺乏专业性人才，特别是在材料及关键零部件的研发方面。动力电池作为电动汽车的动力源，其技术发展仍然存在瓶颈，是制约电动汽车发展最关键的问题。此外，我国落后的新能源汽车的基础设施也限制了电动汽车的推广。

1.2.2 新能源汽车发展趋势

纯电动汽车在运行过程中不产生污染并且电能来源广泛，是解决能源环境问题的理想方案，被认为是未来汽车技术变革的重要方向，越来越多的汽车、能源、新兴互联网车企把纯电动汽车作为掌握核心技术和战略新兴产业发展的主攻方向。现阶段的纯电动汽车受制于动力电池技术瓶颈和基本配套设施不完善，仍然难以取代传统汽车，随着动力电池技术的发展以及“智能电网”时代的到来，纯电动汽车的发展将迎来新的曙光。

1.3 电动汽车动力电池分类及应用

动力电池作为电动汽车的动力源，决定着电动汽车未来的发展前景。为使电动汽车具有较好的使用特性，动力电池应具有以下特性 ^[6]：比能量大，大的比能量可使动力电池质量减轻，降低电动汽车的自重；功率密度大，对动力电池来说，其功率密度大，所提供的瞬时功率就大，可提高电动汽车的动力性；较好的充放电特性，充电特性好可缩短充电时间，放电特性好可提高持续供电能力；循环寿命长；电池一致性好，可减轻电池组使用过程中性能差别迅速扩大的恶性循环。电动汽车动力电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等几种类型^[7]。

1.3.1 铅酸电池

铅酸蓄电池是最早在电动汽车上使用的动力电池，由于铅酸蓄电池的工作稳定、技术成熟、可以大批量生产^[8]，所以在早期的电动汽车上得到了大量应用，但由于其比能量小、大而笨重、循环次数少、维护频繁等缺点，使得采用铅酸电池作为动力源的电动汽车在续航里程和使用寿命等方面无法与传统汽车相抗衡，并且存在环境污染，目前铅酸电池已经退出了车用动力电池的市场。

1.3.2 镍氢电池

镍氢电池自上世纪90年代初期开始规模化生产以来，凭借着比能量大、使用温度范围宽、耐过充放电能力强以及无污染等优点广泛应用于电动自行车及便携式电子设备等领域。在新能源汽车领域，镍氢电池主要应用于混合动力汽车，丰田在“普锐斯”车型上首先使用了镍氢电池作为储能装置，从而推动了镍氢电池在电动汽车上的应用。以丰田第三代“普锐斯”为例所采用的镍氢电池组重量为53.3㎏,使用168个电压为1.2V车用级镍氢电池串联而成,电池组总电压为201.6V,电池容量为1.3kWh，如图1.2所示。但是随着锂离子电池的快速发展，其优越性全面超越镍氢电池，采用镍氢电池的混合动力汽车大多停产或采用锂离子电池来代替镍氢电池，因此在新能源汽车领域，镍氢电池逐渐被锂离子电池所淘汰。

图1.2 丰田“普锐斯”电池系统

1.3.3 锂离子电池

锂离子电池是一种主要依靠锂离子在两个电极之间往复运动来工作的电池。与上诉两种电池相比，锂离子电池具有循环寿命长、比功率大、比能量大、无污染等显著优势，在电动汽车^[9]领域获得了大规模的商业化应用，经过近十几年的发展，已经逐渐成为市场主流。如采用锂离子电池的特斯拉的Model S车型的动力电池系统如图1.3所示，由16个模组构成，每个模组有444个电芯，每74个电芯并连成一组，共6组串联成一个模组串，而电芯采用的是圆柱形电芯18650。

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