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基于相变材料的锂离子电池热管理系统研究

作　者: 曹建华
导　师: 高大威
学　校: 清华大学
专　业: 动力工程及工程热物理
关键词: 电动汽车锂离子电池电池热管理系统相变材料有限元分析
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

锂离子电池是电动汽车动力系统的重要部件，影响整车的性能。锂离子电池的工作环境温度影响其性能发挥，只有在合理的温度范围之内电池的性能才能得到最好发挥。锂离子电池热管理系统是电池管理系统中的重要组成部分，负责控制电池工作温度在合理范围之内，并且尽可能缩小单体之间的温度差异，从而使电池组的性能得到最大限度的发挥。本文使用石蜡作为相变材料，对车用锂离子电池基于相变材料的电池热管理技术进行研究。首先，进行了电池温度特性试验研究，掌握电池的能量、直流内阻、效率以及寿命与温度的关系，为确定电池热管理系统的目标温度提供依据。其次，建立锂离子电池热力学模型，用来估算电池发热功率。其中，相变材料的参数利用差示扫描量热法测得，用以计算系统所需相变材料的用量。然后，利用有限元分析软件建立锂离子电池内部不分层有限元模型，模拟热管理系统工作时的温度并研究如何优化模型。通过仿真，发现相比于自然冷却的电池热管理系统，基于相变材料的热管理系统在不同环境温度下工作均取得良好效果，并且能有效控制热失控时电池组的温升。研究还发现电池的外壳材料对热管理系统影响较大，并据此提出热管理系统优化建议。最后，对基于相变材料的锂离子电池热管理系统进行实验研究。通过实验结果与仿真结果的对比，验证所建立的基于相变材料的锂离子电池热管理系统有限元模型的准确性。热管理系统的实验结果表明，应用基于相变材料的电池热管理系统的电池组在各种环境温度中以最大电流工作时温度都不超过安全阈值，并且相比于自然冷却的电池组，最高温度和单体之间温度差异都会减小。利用泡沫金属骨架提高石蜡的导热性能，形成复合相变材料，实验发现该相变材料的应用能够有效提升电池热管理系统的性能。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-11
第1章引言  11-20
  1.1 锂离子电池概述  11-14
    1.1.1 锂离子电池原理及历史发展  11-13
    1.1.2 车用锂离子电池组的关键技术  13-14
  1.2 车用锂离子电池组热管理系统  14-18
    1.2.1 电池热管理系统概况  14-15
    1.2.2 基于相变材料的电池热管理系统  15-18
  1.3 本文的研究内容  18-20
第2章锂离子电池温度特性试验研究  20-33
  2.1 试验对象及试验设备  20-22
    2.1.1 试验对象  20-21
    2.1.2 试验设备  21-22
  2.2 锂离子电池温度特性试验方法介绍  22-27
    2.2.1 能量的温度特性  23
    2.2.2 直流内阻的温度特性  23-26
    2.2.3 效率的温度特性  26
    2.2.4 寿命的温度特性  26-27
  2.3 锂离子电池温度特性研究  27-32
    2.3.1 能量的温度特性  27-28
    2.3.2 直流内阻的温度特性  28-30
    2.3.3 效率的温度特性  30-31
    2.3.4 寿命的温度特性  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第3章热管理系统仿真及优化  33-59
  3.1 热管理系统的参数  33-37
    3.1.1 锂离子电池生热率  33-34
    3.1.2 相变材料的特性  34-36
    3.1.3 相变材料的用量  36-37
  3.2 电池热管理系统仿真分析  37-48
    3.2.1 基于 ANSYS 软件的有限元模型建立  37-41
    3.2.2 热管理系统在常温环境中的仿真  41-43
    3.2.3 热管理系统在高温环境中的仿真  43-45
    3.2.4 热管理系统在低温环境中的仿真  45-46
    3.2.5 热管理系统在热失控时的仿真  46-48
  3.3 热管理系统的优化  48-57
    3.3.1 电池外壳材料和厚度优化  49-51
    3.3.2 电池单体间距优化  51-53
    3.3.3 相变材料性能优化  53-55
    3.3.4 单体电池排列方式优化  55-57
  3.4 本章小结  57-59
第4章热管理系统的集成及实验  59-67
  4.1 基于相变材料的电池热管理系统集成  59
  4.2 基于相变材料的电池热管理系统适用性实验  59-61
  4.3 基于相变材料的热管理系统环境适应性实验  61-64
    4.3.1 热管理系统在常温环境中的实验  61-63
    4.3.2 热管理系统在高温环境中的实验  63-64
    4.3.3 热管理系统在低温环境中的实验  64
  4.4 基于泡沫金属骨架的复合相变材料应用实验  64-65
  4.5 本章小结  65-67
第5章结论与展望  67-69
  5.1 结论  67-68
  5.2 未来工作展望  68-69
参考文献  69-73
致谢  73-75
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  75

基于相变材料的锂离子电池热管理系统研究

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