开题报告-风冷式锂离子电池热管理系统设计研究.doc

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：机械与动力工程学院专 业：车辆工程设计(论文)题目：风冷式锂离子电池热管理系统设计研究指导教师: 2017 年 3 月 10 日毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：文献综述电池热管理系统的优化设计可以维持动力电池的高效性能,进而促进电动汽车产业的发展。锂离子电池因其自身的优点在电子产品、电动汽车中广泛应用,在实际应用中,电池的工作温度不仅影响电池的安全性,而且严重影响电池的寿命、老化、能量的利用率等性能。因此，对电池组散热和温度控制是保证电池组性能的关键。风冷式散热系统因其结构简单、质量轻、成本低、能够有效排出有害气体、基本可以满足电池组的散热要求。随着全球能源短缺和环境问题的突出，发展低能耗、低污染的电动汽车成为当前汽车工业界的共识。而发展电动汽车的关键在于动力电池。相对于传统的铅酸电池，锂离子电池因具有高容量、高能量密度、高电压、低自放电率以及无记忆功能等特点而成为新一代电动汽车用动力电池。锂离子电池最佳工作温度一般为2040，过热和过放电都会造成电池的退化与失效，严重时还会引起燃烧。动力电池作为电动汽车动力源，往往需要串并联形成电池组，单体电池性能的下降会影响整个电池组的性能，因此电池组内的局部温差一般小于5。以电池热控为研究对象的电池热管理技术在需要高倍率充放电的电动汽车中显得尤为重要。电池包作为电动汽车上装载有电池组的主要储能原件，是电动汽车的关键部件，直接影响到电动汽车的良好性能。锂离子动力电池因其优异的功率输出特性和长寿命等优点，目前在电动汽车电池包中得到良好应用。但锂离子动力电池的性能对温度变化较敏感，特别是车辆上运用的大容量、高功率锂离子电池。车辆上的装载空间有限，车辆所需的电池数目较大，电池均为紧密排列连接。当车辆在高速、低速、加速、减速等交替变换的不同行驶状况下运行时，电池会以不同倍率放电，以不同生热速率产生大量热量，加上时间累积以及空间影响会产生不均匀热量聚集，从而导致电池组运行环境温度复杂多变。由于发热电池体的密集摆放，中间区域必然热量聚集较多，边缘区域较少，增加了电池包中各单位之间的温度不均衡，加剧各电池模块、单体内阻和容量不一致性。如果长时间积累，会造成部分电池过充电和过放电，进而影响电池的寿命与性能，并造成安全隐患。如果电动汽车电池组在高温下得不到及时通风散热，将会导致电池组系统温度过高或温度分布不均匀，最终将降低电池充放电循环效率，影响电池的功率和能量发挥，严重时还将导致热失控，影响电池的安全性与可靠性。因此为了使电池发挥最佳性能和寿命，需要优化电池包的结构，对它进行热管理，增加散热设施，控制电池运行的温度环境。电池包散热采用主动方式还是被动方式，效率会有很大的差别。被动系统所要求的成本比较低，采取的措施也较简单。主动系统结构相对复杂一些，且需要更大的附加功率，但它的热管理更加有效。根据传热学理论，固体与气体，固体与液体接触产生传热现象。气体的对流换热系数远远没有液体的对流换热系数大，液体与固体接触对流换热能力更强。传热系数越大所交换的热量越多，换热效果就越明显，因此要选择合适的传热介质。锂离子动力电池组的散热问题一直都是行业关键技术之一。锂离子电池相对于传统铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等具有更高的能量密度，更大的充放电倍率，因此工作过程中发热严重；特别是应用于动力电池领域，路况复杂、环境苛刻（尤其在高温的夏季），电池产热更加剧烈，对电池的容量、寿命，尤其是安全性能的影响更为显著。某种程度上说，锂离子电池的安全问题实际上是它的热问题，电池产热速率大于散热速率，电池组就会升温，一旦超过电池组所能承受的温度临界点，用电设备将发生严重的安全事故，所以锂离子动力电池组的散热问题至关重要。锂离子电池的发展现状：新能源技术被公认为21世纪的高新技术,电池行业作为新能源领域的重要组成部分，已成为全球经济发展的一个新热点。目前锂离子电池已经作为一种重要的能量源被人们大范围的使用，无论是在电子通讯领域，还是在交通运输领域等，它都担当着极为重要的角色，有着广泛的应用前景。锂离子电池是一种二次电池，是在锂电池的基础上发展起来的一种新型电池,它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。自20世纪70年代以来，以金属锂为负极的各种高比能量锂原电池分别问世，并得以广泛应用。锂离子电池工作电压高、比能量高、容量大、自放电小、循环性好、使用寿命长、重量轻、体积小，是现代高性能电池的代表，是移动电话、笔记本电脑等便携式电子设备的理想电源。我国锂离子电池产业发展历史不长，但发展很快，2012年我国锂离子电池的总产量达41.8亿只。在国际锂离子电池市场上，中国、日本和韩国形成了三足鼎立的态势，但总体而言，我国锂离子电池产业在技术先进程度和市场竞争力方面和日本、韩国还有较大差距。我国锂离子电池产业的技术发展是从模仿国外成熟技术开始的，在此过程中，工艺创新是我国锂离子电池产业早期发展的主要成绩，最近几年，随着技术创新投入不断加大，我国锂离子电池产业在技术创方面发展很快，并形成了基本的产业核心竞争力，在某些领域积累了一定的技术优势。我国自20世纪80年代初期开始进行锂离子电池的研发工作。我国的锂离子电池产业有了长足的发展。在电动汽车领域，万向集团为上海世博会提供了电动汽车和混合动力汽车用锂离子电池；上海汽车除了与比亚迪、上海空间电源研究所持续进行深度合作，同时还与全球锂二次电池领域居于技术领先地位的美国A123组建了合资公司，生产和销售车用动力电池系统。在电网储能技术领域，2011年2月，我国第一个兆瓦级电池储能电站南方电网5MW级电池储能电站在深圳并网成功，该电池储能电站总容量10MW，待其全部投产后，将成为世界上最大的锂离子电池储能电站。此外，新能源汽车是我国七大战略性新兴产业之一，动力电池作为新能源汽车的核心部件是其动力的直接来源，锂离子电池是新能源汽车动力电池发展最有前景的技术路径，锂离子动力电池的技术创新对新能源汽车产业的发展有着关键作用。参考文献:1 吴忠庆,张国庆.混合动力车用氢电池的的液体冷却系统J.广东工业大学学报，2008,25(4):28-31.2 张新强,洪思慧,汪双凤.增设通风孔的风冷式锂离子电池热管理系统数值研究J.新能源进展.2015,2(6):422-428.3 张新强.风冷式动力电池热管理系统技术数值研究D.硕士学位论文.广州：华南理工大学,2016.4 林国发.纯电动汽车锂电池组温度场研究及散热结构优化D.硕士学位论文.重庆:重庆大学,2011.5CHACKO S,CHUNG Y M.thermal modeling of Li-ionpolymer batteryforelectricvehicledrivecycJ.JournalPowerSources,2012,213(9):50-51.6 PARK H.A design of air flow configuration for cooling lithium ion batteryinhybridelectricvehiclesJ.JournalofPowerSources,2013,239(2):30-36.7 KIZILE R,SABBAN R,SELMAN J R,et al.An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packsJ.Journal of Power Sources,2009,194（2）：1105-1112.8 裴后昌.风冷PEM燃料电池堆研究D.硕士学位论文.武汉:武汉理工大学，2011.9 吴宇平,戴晓兵,马军旗等.锂离子电池-应用与实践J.北京:化学工业出版社2004,5(7):5-7.10 刘崇刚,谭玲生,史鹏飞.锂离子电池的安全特性分析J.电池工业,2008,13（2）：78-81.11 易惠华,戴永年,代建清等.锂离子电池正极材料的现状与发展A.云南化工,2005,2.12 卢建国,喻纬冰,黄震宇.磷酸铁锂和锰酸锂的性能比较.电池技术,2010(1).13 饶中浩,张国庆.电池热管理M.北京:科学出版社,2015,174.14 陈言平.电动车风冷式动力电池热管理装置及控制系统P.中国专利:201310289317,2013-07-10.15 闫龙华,何锋,王君银.一种锂电池组风冷的热管理安装结构P.中国专利:201521006616,2015-12-08. 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：我准备采用风冷散热的方式对锂离子电池组进行冷却，应用仿真分析软件FLUENT对电池组温度场和流场进行仿真分析，研究锂离子电池组的风冷散热效果。然后开始用电脑设计模型。设计一个简化电池模型，由18个单体电池组成的电池组作为研究对象。形状为长方体结构，设定电池单体材料质地均匀，密度和比热容不变，通风孔分别设置在边侧；在同一方向上，电池的导热系数相等且不受温度的影响；电池充放电时，电池内部电流密度均匀。然后用FLUENT软件进行仿真分析。分析各种散热的情况，