1．目的及意义

1.1研究背景

当前，为了应对石油化石燃料的枯竭，美国、口本、欧盟等国外发达国家为支持新能源产业发展，先后出台一系列政策，并取得一定的成效。国际海事组织(IMO) 59次环保会上，通过了关于新船舶能效设计指数(EEDI) 要求各国政府、船级社、航运公司采取相应的行动。简单地说，EEDI公式是根据CO₂排放量和货运能力的比值来表示船舶能效。由于EEDI公式分子的第二部分为采用新节能技术减少燃油消耗所带来船舶能效的提高部分，可见，采用新节能技术是优化EEDI指数的一种措施[。为了适应这一新形势的需要，绿色船舶成为其中最重要的解决渠道和未来船舶的发展方向，其中新型能源在船舶上的应用是最具有革新性和代表性的技术。 然而，太阳能、风能、海洋能等新能源都属于低能量密度的清洁能源，且存在能量供应不稳定、不连续、随气候条件变化等问题，因此无论采用纯太阳能船舶供电系统，还是采用风光互补式的发电装置都需要加入储能电池，保证发电系统所产生的电力能够及时予以储存，同时能够实现供电补偿的效果，实现供电电源与用电设备的功率平衡，保证船舶供电系统的持续性和安全性。当前广泛采用磷酸铁锂电池串联成电池组来满足船舶部分能源的需求，然而温度对电池性能产生显著的影响。电池充放电过程产生的热量如果不能及时排出，将导致电池充放电性能衰减、加速老化，甚至出现热失控或爆炸。动力电池的热问题己成为严重制约其性能发挥的关键因素，也是当今船用动力电池产业化发展所面临的重大挑战。考虑到动力电池的热安全性、热稳定性和热均衡性问题，必须设计开发一个高效并拥有良好的热稳定性、安全性和均匀性的电池热管理系统(Battery Thermal Management System, BTMS)以保持各动力电池在最佳温度范围内工作，从而防止各电池出现极端温度。

2. 含国内外的研究现状分析

船用动力电池具有高能量密度、高功率密度、良好的充电性能、低自放电等优点。回顾电池的研究发展进程，国内外学者们开发出一系列动力电池，其中被广泛使用的主要包括镍氢电池、铅酸电池以及锂离子电池并且在全球产生一定的影响作用。

最初，动力电池采用铅酸蓄电池，具有非常高的可靠性。单体铅酸蓄电池的电压为2V。铅酸蓄电池的特点是放电电压平稳，开路电压高，能够在常温下正常工作，技术成熟，价格便宜。但也存在一系列问题，如:比能量低、充电时间较长，循环寿命短;同时由于其放电过程属于沉淀机理，所以随着放电次数的增加，电池容量逐渐衰减。随着放电深度增大和活性物质利用率的增加使电池容量衰减更加明显[[15]，所以该电池可用能量随着电池循环次数的增加和温度的降低而减少。还由于其在充放电时析出的酸雾污染及腐蚀严重引发的严重环境污染，现己退出主流应用。

与铅酸蓄电池相比较，镍氢电池并非酸性电池，而是碱性电池，能够实现快充，并且其功率密度以及能量利用率更高，起动加速性能好，易维护，无污染，循环寿命达到1000次以上。在20世纪末，多家汽车公司包括通用、福特、克莱斯勒、丰田和本田等都在研发基于Ni-MH电池的EV和HEV fm-ao}。如丰田Prius, RAV4和本田Insight EVPlus等配备的都是Ni-MH电池。其缺点在于:成本高，单体电池电压低(C 1.2V )，自放电损耗大。在充电过程中容易发热，在高温状态下，正极板的充电效率变差，并加速正极板的氧化，使电池的寿命缩短，由于对环境温度敏感，所以导致动力电池组的热管理难度加大。锂离子电池是目前所有可充电电池中综合性能最优的一种，与其他电池相比，具有体积小、重量轻、单体电压高、无记忆效应、绿色环保、使用期限长、比能量/功率密度大以及高效率等优势。自1990年日本索尼公司成功开发实用型锂离子电池并于1993年实现商品化以来，锂离子电池得到了广泛的应用，锂离子电池的开发也成为能源方面的研究热点[y9,2i-23}。由于锂离子电池的明显优势，被世界各国大力开发和研制并迅速向产业化发展，被认为是电动汽车理想的动力电池[[24]锂离子电池能量密度非常大，分别是铅酸蓄电池与镍氢电池的4-5倍与2倍左右;且其电压高，分别为铅酸电池与镍氢电池的1.5-1.7倍与3倍[[25]，这不仅能够大大减少供电电池的数量，还能够降低电池包串联装配难度，进而提高汽车动力电池的可靠性。相比于镍氢电池，电动汽车和混合动力汽车目前主流电池为锂离子电池，其优势突出。一方面，电池包体积大大缩小为原来的70-80%;另一方面，电池包的重量由于串联电池数量的减少而缩减为原来的50-60%。因此，锂离子电池被国内外许多汽车知名产业广泛应用于纯电动汽车与混合动力车辆的研发与生产领域中。常见的三种动力电池的性能比较如表1-l 。

表1-1三种常见动力电池性能比较

2. 研究的基本内容与方案

3.基本内容和技术方案

3.1锂离子电池温度性能研究。查阅资料找出锂离子电池的结构并分析其产热机理，通过实验研究环境温度对电池性能的影响、充放电倍率对电池生热效果的影响，为后续电池组散热实验与仿真研究提供数据支持。

3.2锂离子电池组风冷散热系统研究。运用耦合传热理论的基础，建立动力电池组“热一流”耦合传热的风冷散热数值仿真计算模型，并与实验对比验证了仿真模型的有效性。然后，在研究单因素变量对电池组风热效果影响的基础上。以电池组的最高温度和温差为评价指标，综合考虑进风角度、出风角度及电池间距的布置形式对电池组风冷散热效果的影响，对强制风冷散热结构进行优化设计。

5．阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇）

[1] 金钰.车用锂离子动力电池系统强制风冷散热特性研究【D】湖南大学，2018.

[2] 王福昂.基于CFD的纯电动客车锂离子电池箱散热分析与优化【D】.聊城大学，2018.

[3] 谢金红.电动汽车锂离子电池组散热结构优化分析研究【D】，华南理工大学，2018.

[4] 王涛.动力电池组散热结构优化分析【D】.昆明理工大学，2018.

[5] 邵燕涛.电动汽车车用锂电池风冷散热结构研究【D】.重庆交通大学，2018.

[6] 葛子敬.电动汽车磷酸铁锂电池组风冷散热系统研究【D】.华南理工大学，2016.

[7]沈帅.纯电动汽车电池箱热特性研究及热管理系统开发[D].长春:吉林大学，2013.

[8] Wang T, Tseng K, Zhao J, et al. Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies[J]. Applied energy,2014, 134:229-238.

[9] Park H.A design vehicles[J].of air flow configuration for cooling lithium ion battery in hybrid electric Journal of power sources, 2013, 239:30-36.

[10]胡小峰.电动汽车锂离子电池组无机超导热管散热性能研究[D].长沙:湖南大学,2012.

[11] Rao Z, Wang Q, Huang C. Investigation of the thermal performance of phase change material/mini-channel coupled battery thermal management system[J]. Applied energy,2016, 164:659-669.

[12] Zhao J, Rao Z, Liu C, et al. Experimental investigation on thermal performance of phase change material coupled with closed-loop oscillating heat pipe (PCM/CLOHP) used in thermal management[J]. Applied Thermal Engineering, 2016, 93:90-100.

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[14] Maleki H, Deng G, Anani A, et al. Thermal Stability Studies of Li-ion Cells and Com-ponents[J]. Journal of The electrochemical society, 1999, 146(9):3224-3229.

[15] Xie J, Ge Z, Zang M,et al. Structural optimization of fithium-ion battery pack with forced air cooling system. Applied Thermal Engineering.2017,126:583-593

[16] Chen K, Wang S, Song M,et al. Structure optimization of parallel air-cooled battery thermal management system. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017,111:943-952

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[18]凌子夜，方晓明，汪双凤等.相变材料用于锂离子电池热管理系统的研究进展[J].储能科学与技术，2013,2(5):451-459.

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[20]葛子敬，减孟炎，叶鹏等.电动汽车锂离子电池组风冷散热仿真分析[J].机械设计与制造工程，2015,44(10):24-28.

[21]吴宏，李育隆，杨凯.电动汽车电池箱通风冷却结构的研究[J]汽车工程，2012,34(6):556-560 565.

[22]王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用「M].清华大学出版社有限公司，2004.

[23]陶文锉.数值传热学「M].西安交通大学出版社，2001.

[24]柏静儒，辛思谕，王擎.CFD软件在传热学教学中的应用及浅析[J].中国电力教育，2014(29): 43-45.

1．目的及意义

1.1研究背景

当前，为了应对石油化石燃料的枯竭，美国、口本、欧盟等国外发达国家为支持新能源产业发展，先后出台一系列政策，并取得一定的成效。国际海事组织(IMO) 59次环保会上，通过了关于新船舶能效设计指数(EEDI) 要求各国政府、船级社、航运公司采取相应的行动。简单地说，EEDI公式是根据CO₂排放量和货运能力的比值来表示船舶能效。由于EEDI公式分子的第二部分为采用新节能技术减少燃油消耗所带来船舶能效的提高部分，可见，采用新节能技术是优化EEDI指数的一种措施[。为了适应这一新形势的需要，绿色船舶成为其中最重要的解决渠道和未来船舶的发展方向，其中新型能源在船舶上的应用是最具有革新性和代表性的技术。 然而，太阳能、风能、海洋能等新能源都属于低能量密度的清洁能源，且存在能量供应不稳定、不连续、随气候条件变化等问题，因此无论采用纯太阳能船舶供电系统，还是采用风光互补式的发电装置都需要加入储能电池，保证发电系统所产生的电力能够及时予以储存，同时能够实现供电补偿的效果，实现供电电源与用电设备的功率平衡，保证船舶供电系统的持续性和安全性。当前广泛采用磷酸铁锂电池串联成电池组来满足船舶部分能源的需求，然而温度对电池性能产生显著的影响。电池充放电过程产生的热量如果不能及时排出，将导致电池充放电性能衰减、加速老化，甚至出现热失控或爆炸。动力电池的热问题己成为严重制约其性能发挥的关键因素，也是当今船用动力电池产业化发展所面临的重大挑战。考虑到动力电池的热安全性、热稳定性和热均衡性问题，必须设计开发一个高效并拥有良好的热稳定性、安全性和均匀性的电池热管理系统(Battery Thermal Management System, BTMS)以保持各动力电池在最佳温度范围内工作，从而防止各电池出现极端温度。

2. 含国内外的研究现状分析

船用动力电池具有高能量密度、高功率密度、良好的充电性能、低自放电等优点。回顾电池的研究发展进程，国内外学者们开发出一系列动力电池，其中被广泛使用的主要包括镍氢电池、铅酸电池以及锂离子电池并且在全球产生一定的影响作用。

最初，动力电池采用铅酸蓄电池，具有非常高的可靠性。单体铅酸蓄电池的电压为2V。铅酸蓄电池的特点是放电电压平稳，开路电压高，能够在常温下正常工作，技术成熟，价格便宜。但也存在一系列问题，如:比能量低、充电时间较长，循环寿命短;同时由于其放电过程属于沉淀机理，所以随着放电次数的增加，电池容量逐渐衰减。随着放电深度增大和活性物质利用率的增加使电池容量衰减更加明显[[15]，所以该电池可用能量随着电池循环次数的增加和温度的降低而减少。还由于其在充放电时析出的酸雾污染及腐蚀严重引发的严重环境污染，现己退出主流应用。

与铅酸蓄电池相比较，镍氢电池并非酸性电池，而是碱性电池，能够实现快充，并且其功率密度以及能量利用率更高，起动加速性能好，易维护，无污染，循环寿命达到1000次以上。在20世纪末，多家汽车公司包括通用、福特、克莱斯勒、丰田和本田等都在研发基于Ni-MH电池的EV和HEV fm-ao}。如丰田Prius, RAV4和本田Insight EVPlus等配备的都是Ni-MH电池。其缺点在于:成本高，单体电池电压低(C 1.2V )，自放电损耗大。在充电过程中容易发热，在高温状态下，正极板的充电效率变差，并加速正极板的氧化，使电池的寿命缩短，由于对环境温度敏感，所以导致动力电池组的热管理难度加大。锂离子电池是目前所有可充电电池中综合性能最优的一种，与其他电池相比，具有体积小、重量轻、单体电压高、无记忆效应、绿色环保、使用期限长、比能量/功率密度大以及高效率等优势。自1990年日本索尼公司成功开发实用型锂离子电池并于1993年实现商品化以来，锂离子电池得到了广泛的应用，锂离子电池的开发也成为能源方面的研究热点[y9,2i-23}。由于锂离子电池的明显优势，被世界各国大力开发和研制并迅速向产业化发展，被认为是电动汽车理想的动力电池[[24]锂离子电池能量密度非常大，分别是铅酸蓄电池与镍氢电池的4-5倍与2倍左右;且其电压高，分别为铅酸电池与镍氢电池的1.5-1.7倍与3倍[[25]，这不仅能够大大减少供电电池的数量，还能够降低电池包串联装配难度，进而提高汽车动力电池的可靠性。相比于镍氢电池，电动汽车和混合动力汽车目前主流电池为锂离子电池，其优势突出。一方面，电池包体积大大缩小为原来的70-80%;另一方面，电池包的重量由于串联电池数量的减少而缩减为原来的50-60%。因此，锂离子电池被国内外许多汽车知名产业广泛应用于纯电动汽车与混合动力车辆的研发与生产领域中。常见的三种动力电池的性能比较如表1-l 。

表1-1三种常见动力电池性能比较