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混合动力车用镍氢电池组散热性能CFD仿真与试验研究

作　者: 梁昌杰
导　师: 秦大同
学　校: 重庆大学
专　业: 车辆工程
关键词: 镍氢电池散热温度场计算流体力学仿真试验
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

镍氢电池以其比能量高、比功率高、循环寿命长、环境污染小、安全性高等优点作为核心部件被广泛应用于混合动力电动汽车(HEV)中,对HEV的性能有直接影响。镍氢电池在充、放电过程中产生的大量热量会导致电池内部的温度上升和电池组模块之间温度梯度的增大,造成电池性能不稳定,严重时影响到电池的使用安全与寿命。为了提高电池性能的可靠性和一致性,不但要求电池的工作温度保持在一定的临界温度之下,同时也要求各单体电池之间的温度差别小,其温差幅值不会引起电池性能的明显差异,从而不影响电池组的使用性能。因此,建立电池温度场分析的理论模型,采用数值模拟技术分析电池在使用条件下的温度分布,进行电池散热结构的优化与散热性能的预测,对提高电池的使用性能具有重要的现实意义。本文主要做了以下几方面的工作:①针对混合动力汽车用镍氢电池使用过程中温升高,电池组各模块温差大,从而影响到电池组的充放电性能和使用寿命的问题,根据传热学的质量、动量和能量守恒定律建立镍氢电池组的三维非稳态散热模型并分析镍氢电池的生热理论及热负荷的各组成部分;②采用计算流体力学(CFD)方法,对镍氢电池组原始方案的流场和温度场进行了数值模拟仿真分析,并研究了冷却空气流量和汽车行驶工况对电池组散热效果的影响;③提出了镍氢电池组散热系统的优化方案并进行了优化方案散热效果的仿真分析。结果表明优化方案可实现镍氢电池组的良好散热,有效降低温升和电池模块之间的温差,从而满足混合动力汽车对电池组的使用要求;④为验证仿真分析的准确性,进行了混合动力汽车试验循环工况下镍氢电池组的充放电试验和温度场测量,结果表明仿真分析结果与试验结果具有较好的一致性,从而表明所建流场和温度场模型的合理性。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
符号表  9-10
1 绪论  10-20
  1.1 本文的研究背景与课题来源  10
  1.2 国内外混合动力车用电池的发展概况  10-14
  1.3 电池组散热必要性及其方法  14-17
  1.4 电池组散热的研究现状  17-19
  1.5 论文主要研究内容  19-20
2 CFD 基础理论  20-34
  2.1 CFD 技术概述  20-23
    2.1.1 CFD 的发展现状  20-22
    2.1.2 CFD 技术的特点  22
    2.1.3 目前流行的CFD 商业软件  22-23
  2.2 计算流体力学的控制方程  23-28
    2.2.1 质量守恒方程  24
    2.2.2 动量守恒方程  24-25
    2.2.3 能量守恒方程  25-26
    2.2.4 湍流基本方程  26-28
  2.3 控制方程的离散化研究  28-32
    2.3.1 通用微分控制方程  28
    2.3.2 通用微分控制方程的离散  28-30
    2.3.3 离散方程的求解  30-31
    2.3.4 求解步骤  31-32
  2.4 本章小结  32-34
3 镍氢电池组流场和温度场 CFD 仿真分析  34-56
  3.1 镍氢电池生热原理分析  34-39
  3.2 电池组散热系统的计算模型  39-43
    3.2.1 电池组几何模型  39-40
    3.2.2 网格模型  40-41
    3.2.3 温度场模型  41-43
  3.3 原始模型温度场的CFD 稳态仿真分析  43-48
    3.3.1 电池热物理参数的确定  43-45
    3.3.2 求解器的选择  45-46
    3.3.3 边界条件的选取  46-48
  3.4 仿真结果及分析  48-54
    3.4.1 流场分析  49-50
    3.4.2 温度场分析  50-52
    3.4.3 流量对散热效果的影响  52-54
  3.5 本章小结  54-56
4 CV8 圆柱形电池组散热系统设计  56-70
  4.1 波浪形电池组方案  56-60
    4.1.1 电池组结构  56-57
    4.1.2 仿真结果及分析  57-60
  4.2 引流板方案  60-64
    4.2.1 电池组结构  60-62
    4.2.2 仿真结果及分析  62-64
  4.3 最优模型电池组温度场试验循环工况仿真分析  64-69
    4.3.1 边界条件的选取  64-68
    4.3.2 仿真结果及分析  68-69
  4.4 本章小结  69-70
5 电池组温度场试验研究  70-80
  5.1 试验设备  70-72
    5.1.1 车载试验设备  70-71
    5.1.2 数据采集系统  71-72
  5.2 布点方案  72-74
  5.3 试验内容  74-76
  5.4 仿真和试验结果对比分析  76-78
  5.5 本章小结  78-80
6 总结与展望  80-82
  6.1 全文总结  80-81
  6.2 工作展望  81-82
致谢  82-84
参考文献  84-88
附录  88
  A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文  88
  B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目  88

混合动力车用镍氢电池组散热性能CFD仿真与试验研究

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