一种空气放大式电动汽车电池组冷却系统的研究【字数：11046】
在电动汽车中，作为动力源的动力电池会很大程度上影响着电动汽车性能，也是影响电动汽车发展的重要因数之一。而电池在工作时会产生大量热量，会严重影响电池的性能。所以，开发有效的动力电池的冷却系统，稳定锂离子电池的性能对电动汽车的发展和推广都有着重大意义。空气放大器是一种能有效放大空气流量的流量放大装置，本文将空气放大器应用到电池冷却上， 通过分析了锂离子电池的生热机理和传热特性，提出了空气放大式的电池组冷却系统空气放大器利用少量压缩空气，带动周围环境空气进入电池散热通道，实现对电池的散热。建立了空气放大器和电池箱的三维模型。使用Fluent软件对三维模型进行仿真，通过温度云图分析散热效果。
目录
1.绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2本课题的研究现状 1
1.3几种常用的动力电池 3
1.3.1铅酸蓄电池 3
1.3.2镍氢电池 3
1.3.3锂离子电池 3
1.4本课题研究内容 4
2.电动汽车车用锂离子电池 5
2.1锂离子电池的生热机理 5
2.2锂离子电池的温度特性 6
2.3磷酸锂铁电池物性参数的确定方法 6
2.4本章小结 8
3.空气放大式电动汽车电池组冷却系统的设计 9
3.1空气放大器的原理 9
3.2空气放大器的应用 9
3.3空气放大式电动汽车电池组冷却系统的设计 10
3.4本章小结 11
4.空气放大式电池组冷却系统的建模 12
4.1空气放大器的建模 12
4.2电池箱的建模 13
4.3总装装配 14
4.4本章小结 14
5.空气放大式电池组冷却系统的仿真分析 15
5.1Fluent软件概述 15
5.2国内电池组冷却系统的研究现状 15
5.4电池组的网格模型 15
5.3电池组的数学模型 16
5.4边界条件及物性参数设置 17
5.5仿真结果 19
5.6对方案的优化改进 19 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
5.7本章小结 20
6.结论 21
参考文献 22
致谢 23
1.绪论
1.1课题研究的背景和意义
以电为能源驱动的汽车早于19世纪30年代就诞生了，但当时用的是不可充电的电池，而真正意义上的以可充电池为动力的电动汽车在1881年诞生，自此电动汽车开始不断发展和应用。然而随着内燃机车的出现和石油的大量开发，内燃机车成为了人们普遍使用的交通工具。但是，内燃机车的大批量应用带来了严重的空气污染，石油的使用量也急剧攀升。20世纪70年代初爆发的石油危机对世界的经济产生了重大影响，而进入21世纪，随着能源危机更加凸显，环境污染愈发严重，各国越来越重视能源问题，而电动汽车由于其具有减轻石油压力、不产生空气污染等优秀的环保性能，重新得到了来自各界的重视。如今电动汽车已成为全球汽车产业发展的一大趋势。电动汽车的性能、寿命和成本决定于所用动力电池的技术高低。动力电池的性能决定了续航里程、整车动力性、成本和使用经济性等。电池的性能受到很多因素的影响，其中影响最大的就是温度。由于电化学反应的发生和电流流经内阻，动力电池在工作时会产生大量热量，对电池性能造成影响，尤其在电池温度超过50℃时，电池的使用性能和循环次数都会下降[1]。因此，对电动汽车电池组冷却系统进行研究对电池的性能和寿命都有着重大意义。
1.2本课题的研究现状
电动汽车的动力电池的工作状况通常是大电流的充放电，这会使得电池大量产热，温度上升。再加上电池组中大量的单体电池的排列通常是密集的，这样电池产生的热量会很难排出，这加剧了电池的温度上升。而在冷却散热过程中，由于每个电池所在的位置不同，冷却介质无法均匀地对每个电池进行相同程度的散热，电池组会出各个电池间温度不一致的情况，各个电池温度不均匀也会影响电池的性能[2]。电池温度过高和大量电池温差过大都会大大降低电池的性能，严重时会使电池发生热失效。研究表明：当温度为45℃时，电池的循环会减少60%；当电池在高倍率下充电时，温度每升高5℃，电池就会减少一半的寿命；对于小型的电池组，电池间最大温差在 2～3℃会对电池的性能和寿命有利，而对于大型的电池组，最大温差在7～8℃就可以满足散热的要求[3]。经过多年的研究，诞生了很多的电池组冷却方式，通常按冷却介质的不同将它们分成三类：空气冷却、液体冷却和相变材料冷却[4]。在实际应用中，有时为了让冷却效果更好，达到所要满足的冷却散热需求，会采用好几种冷却方式一起进行对电池组的冷却。
空气冷却技术分为两种：一种是自然对流冷却，自然对流冷却是指不使用任何额外的装置，直接采用外部空气对电池进行换热冷却。这种冷却方式优点是成本低下，但缺点也很明显严重，就是冷却效率十分低下。若要提高自然对流冷却的效率，需要对电池和电池箱体的通风口进行特殊设计与处理，对电池安装位置进行适当调整来增大散热面积。另一种是强制对流冷却，强制对流冷却是指利用风扇等物件驱动外部空气与电池接触，通过热传导来进行散热。这种冷却方式需要设置额外外部设备来进行，对电池和电池箱的位置要求较低，能使电池箱在汽车上的布置更灵活。
根据冷却气流的流动形式，空气冷却还可分为串流通风和并流通风。如图11所示，串流通风中空气从电池组一端进入，依次通过各个电池，越往后冷却空气温度越高，对之后电池的冷却效果下降，最后通过排风口离开。并流通风如图12所示，空气进入电池箱体后，会被电池间的间隙形成的风道分成几股，每股空气都经过一列电池，能对每个电池进行冷却，有利于各个电池的温均匀性，但所占的空间比串流通风大。
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图11 串流通风
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图12 并流通风
目录
1.绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2本课题的研究现状 1
1.3几种常用的动力电池 3
1.3.1铅酸蓄电池 3
1.3.2镍氢电池 3
1.3.3锂离子电池 3
1.4本课题研究内容 4
2.电动汽车车用锂离子电池 5
2.1锂离子电池的生热机理 5
2.2锂离子电池的温度特性 6
2.3磷酸锂铁电池物性参数的确定方法 6
2.4本章小结 8
3.空气放大式电动汽车电池组冷却系统的设计 9
3.1空气放大器的原理 9
3.2空气放大器的应用 9
3.3空气放大式电动汽车电池组冷却系统的设计 10
3.4本章小结 11
4.空气放大式电池组冷却系统的建模 12
4.1空气放大器的建模 12
4.2电池箱的建模 13
4.3总装装配 14
4.4本章小结 14
5.空气放大式电池组冷却系统的仿真分析 15
5.1Fluent软件概述 15
5.2国内电池组冷却系统的研究现状 15
5.4电池组的网格模型 15
5.3电池组的数学模型 16
5.4边界条件及物性参数设置 17
5.5仿真结果 19
5.6对方案的优化改进 19 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
5.7本章小结 20
6.结论 21
参考文献 22
致谢 23
1.绪论
1.1课题研究的背景和意义
以电为能源驱动的汽车早于19世纪30年代就诞生了，但当时用的是不可充电的电池，而真正意义上的以可充电池为动力的电动汽车在1881年诞生，自此电动汽车开始不断发展和应用。然而随着内燃机车的出现和石油的大量开发，内燃机车成为了人们普遍使用的交通工具。但是，内燃机车的大批量应用带来了严重的空气污染，石油的使用量也急剧攀升。20世纪70年代初爆发的石油危机对世界的经济产生了重大影响，而进入21世纪，随着能源危机更加凸显，环境污染愈发严重，各国越来越重视能源问题，而电动汽车由于其具有减轻石油压力、不产生空气污染等优秀的环保性能，重新得到了来自各界的重视。如今电动汽车已成为全球汽车产业发展的一大趋势。电动汽车的性能、寿命和成本决定于所用动力电池的技术高低。动力电池的性能决定了续航里程、整车动力性、成本和使用经济性等。电池的性能受到很多因素的影响，其中影响最大的就是温度。由于电化学反应的发生和电流流经内阻，动力电池在工作时会产生大量热量，对电池性能造成影响，尤其在电池温度超过50℃时，电池的使用性能和循环次数都会下降[1]。因此，对电动汽车电池组冷却系统进行研究对电池的性能和寿命都有着重大意义。
1.2本课题的研究现状
电动汽车的动力电池的工作状况通常是大电流的充放电，这会使得电池大量产热，温度上升。再加上电池组中大量的单体电池的排列通常是密集的，这样电池产生的热量会很难排出，这加剧了电池的温度上升。而在冷却散热过程中，由于每个电池所在的位置不同，冷却介质无法均匀地对每个电池进行相同程度的散热，电池组会出各个电池间温度不一致的情况，各个电池温度不均匀也会影响电池的性能[2]。电池温度过高和大量电池温差过大都会大大降低电池的性能，严重时会使电池发生热失效。研究表明：当温度为45℃时，电池的循环会减少60%；当电池在高倍率下充电时，温度每升高5℃，电池就会减少一半的寿命；对于小型的电池组，电池间最大温差在 2～3℃会对电池的性能和寿命有利，而对于大型的电池组，最大温差在7～8℃就可以满足散热的要求[3]。经过多年的研究，诞生了很多的电池组冷却方式，通常按冷却介质的不同将它们分成三类：空气冷却、液体冷却和相变材料冷却[4]。在实际应用中，有时为了让冷却效果更好，达到所要满足的冷却散热需求，会采用好几种冷却方式一起进行对电池组的冷却。
空气冷却技术分为两种：一种是自然对流冷却，自然对流冷却是指不使用任何额外的装置，直接采用外部空气对电池进行换热冷却。这种冷却方式优点是成本低下，但缺点也很明显严重，就是冷却效率十分低下。若要提高自然对流冷却的效率，需要对电池和电池箱体的通风口进行特殊设计与处理，对电池安装位置进行适当调整来增大散热面积。另一种是强制对流冷却，强制对流冷却是指利用风扇等物件驱动外部空气与电池接触，通过热传导来进行散热。这种冷却方式需要设置额外外部设备来进行，对电池和电池箱的位置要求较低，能使电池箱在汽车上的布置更灵活。
根据冷却气流的流动形式，空气冷却还可分为串流通风和并流通风。如图11所示，串流通风中空气从电池组一端进入，依次通过各个电池，越往后冷却空气温度越高，对之后电池的冷却效果下降，最后通过排风口离开。并流通风如图12所示，空气进入电池箱体后，会被电池间的间隙形成的风道分成几股，每股空气都经过一列电池，能对每个电池进行冷却，有利于各个电池的温均匀性，但所占的空间比串流通风大。
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图11 串流通风
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图12 并流通风
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