摘 要

随着电人类社会的不断推进，即使处于信息时代，传统汽车工业仍是国民经济最重要的组成部分之一，然而，大量排放的汽车尾气对环境造成长久持续的危害。纯电动汽车作为传统汽车的代替品可以解决这一问题，制约其发展的核心问题之一是动力电池的管理，因此对纯电动汽车动力电池的研究是当前研究的热点。

论文主要研究了纯电动汽车的热管理系统。首先，深入分析锂电池的内部结构、工作原理以及产热和传热机理，提出环境温度对锂电池的影响以及改善措施。其次，从温控方式、电池组的结构、单片机芯片以及温度传感器的选择等方面设计动力电池的热管理方案。然后设计合理的电池温度控制策略并编写相应的程序。最后，利用FLUENT软件对电池组的温度分布进行仿真分析，并初步仿真分析加热方案与散热方案的具体表现，提出针对电池热管理方案的相应优化措施。

研究结果表明：所开发的纯电动汽车动力电池热管理方案具有很好的控制效果，控制精度符合一般要求。

本文的特色在于：基于锂动力电池热特性及传热机理，提出合理的温度控制策略，结合硬件编写了温度控制程序，同时运用流场分析软件FLUNT仿真分析了电池组的温度分布。

关键词：纯电动汽车；动力电池；热管理方案；仿真分析

Abstract

With the continuous advancement of human society, even in the information age, the traditional automobile industry is still an important part of the national economy. However, the large amount of exhausted automobile exhaust causes long-lasting and continuous damage to the environment. Pure electric vehicles can solve this problem as a substitute for traditional vehicles. One of the core issues that restricts their development is the management of power batteries. Therefore, the research on pure electric vehicle power batteries is currently the focus of research.

This article mainly develops and studies the thermal management system of pure electric vehicles. First of all, in-depth analysis of the internal structure of the lithium battery, the working principle and heat production and heat transfer mechanism, proposed environmental temperature on the impact of lithium batteries and improvement measures. Secondly, the thermal management scheme of the power battery is designed from the aspects of temperature control mode, battery structure, single-chip chip and temperature sensor selection. Then design a reasonable battery temperature control strategy and write a corresponding program. Finally, FLUENT software was used to simulate and analyze the temperature distribution of the battery pack, and the specific performance of the heating scheme and the heat dissipation scheme was simulated. The corresponding optimization measures for the battery thermal management scheme were proposed.

The result of the research shows that the power battery thermal management scheme developed by the pure electric vehicle has a good control effect and the control accuracy meets the general requirements.

The characteristics of this paper are: Based on the thermal characteristics and heat transfer mechanism of lithium battery, a reasonable temperature control strategy is proposed, and a temperature control program is written in combination with hardware. At the same time, the flow field analysis software FLUNT is used to simulate the temperature distribution of the battery pack.

Key Words: Electric vehicle; power battery; thermal management system; simulation analysis

目 录

摘 要 I

Abstract II

1绪论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2课题研究现状 2

1.3研究的主要内容 3

2锂动力电池热特性分析 5

2.1锂电池结构及热特性 5

2.1.1锂电池结构及工作原理 5

2.1.2锂电池的产热 6

2.1.3锂电池的传热 7

2.2环境温度对锂离子电池的影响及改进措施 7

3锂动力电池热管理方案设计 9

3.1选择温控方式 9

3.1.1确定加热方式 9

3.1.2确定冷却方式 9

3.1.3保温材料分析 12

3.2电池组结构 12

3.3硬件开发 13

3.3.1主控芯片MC9S12DG128 14

3.3.2温度信息采集模块 14

4温度控制策略及软件设计 16

4.1模糊逻辑控制理论 16

4.2热管理控制策略 17

4.3热管理控制程序 18

4.3.1温度信息采集程序 18

4.3.2温度控制程序 22

5锂动力电池热管理系统仿真和优化 27

5.1锂动力电池仿真介绍 27

5.1.1仿真软件介绍 27

5.1.2CFD计算方法 27

5.2单体电池仿真 29

5.3散热结构仿真研究 32

5.4加热系统仿真研究 33

5.5电池热管理系统方案优化 34

6结论 35

参考文献 36

致 谢 38

1绪论

1.1课题研究的背景及意义

从整个世界范围来看，空气污染的重要影响因素之一是汽车尾气，其原因是汽车尾气中的CO、NOx、碳氢化合物以及颗粒物对人体健康的危害极大。汽车燃料中的不完全燃烧部分和裂解部分以碳氢化合物的形式排出，在太阳光和紫外线的照射下与NO反应形成浅蓝色的光化学烟雾。光化学烟雾事件在洛杉矶于1955年和1970年发生两次，前者导致高达四百余人因呼吸衰竭死亡，后者则造成该市3/4的人口患病^[1]。在洛杉矶发生光化学烟雾事件以后，人们开始逐渐意识到汽车尾气的危害。

从另一方面考虑，化石燃料作为不可再生的能源终将被消耗用尽，并且人类越来越迅速的发展也在加快着能源的消耗。无论是美国的新能源战略致力奠定未来低碳经济发展的基础，还是我国在新能源领域的大力支持与投入，都说明节约能源和发展可再生能源成为当今时代各个国家迫切关注的话题。

对传统汽车带来的问题，发展与利用纯电动汽车可以作为一项完美的解决方案。相较传统燃油汽车，纯电动汽车有着无污染、能耗低、噪音小、制动能量可回收、避免对石油过度依赖等优点，是现阶段我国能源战略转型的重点发展项目之一。纯电动汽车在环保及能源利用方面的巨大优势使其必然在未来占领绝大部分汽车市场，近年来在我国出台的各种相关政策也表明了国家对电动汽车产业发展之重视。

与传统汽车相比，即使纯电动汽车的电能全部来自于传统火力发电，其等效的能量转化效率也将远远高于燃油汽车，即在相同条件下行驶相同里程，纯电动汽车消耗的能量更少。再加上近年来我国的风力发电、水力发电以及核电站等得到大力发展，利用传统火力发电的比例会逐渐下降，这更能突显纯电动汽车在节能环保方面优势。

动力电池作为纯电动汽车的动力来源，其工作的性能将直接影响整体车辆的性能参数，而电池的工作性能受到电池工作环境温度的影响最大。现如今绝大部分的动力电池都是以锂作为负极的锂离子动力电池。研究表明，工作环境的温度对锂离子电池的充放电性能、循环使用寿命、比功率及比能量等的影响非常之明显。锂离子动力电池的最佳工作温度范围一般在15℃到35℃。当环境温度过高时，由于动力电池组布局紧凑，如果没有合理的冷却措施，电池组的局部温度会升高，电池组整体的充放电性能均下降，部分电池将过充或过放电，最终造成电池使用寿命缩短的后果，严重时甚至影响整车安全性能；如果电池处于过低的工作温度，电极极化严重，电池内阻大大增加，动力电池的工作效率将受到极大的影响^[2]。因此，动力电池必须拥有科学高效的热管理系统，高温时能对电池有效进行散热，低温时能对电池加热，使得电池始终保持在最佳的温度范围内工作。

1.2课题研究现状

日本的SATO在研究电池的电化学反应及热效应时，首先建立电池的三维热效应模型。美国加利福尼亚大学的Chen Yufei使用三维热模型计算电池的内部温度场，并采用模拟技术研究电池的热管理系统，对电池箱的结构进行了重新的设计及改进。现阶段电池温度场的模拟计算是国内外研究的热点问题。我国对电池温度控制系统的研究始于“八五”计划，目前在电池组的结构设计，电池冷却通道的布置以及电池单体材料在电池热管理模块上已经取得了一些成果。但是在热管理上也存在很多问题，主要在于如何有效散失充放电产生的反应热，如何使电池模块内部的单体电池温度均匀分布，如何在低温环境下预处理电池加热至设定温度范围等。在开发研究锂电池热管理系统时，一般的基本要求如下：

（1）精确有效地获得电池的温度；

（2）电池组外部的加热与散热系统；

（3）高温环境下的合理散热与紧急措施；

（4）低温环境下的快速加热升温；

（5）平衡电池组内部各电池的温度。

目前最具有代表性的电池热管理系统的整体设计思路是由美国的Ahmad A.Pesaran等人^[3]提出，其设计流程如图1.1所示，包括以下步骤：

（1）考虑热管理系统的设计目标和约束条件；

（2）初步测量和估算电池模块的总体生热速率和积累的热量；

（3）热管理初次系统评估（包括设计加热或冷却系统等）；

（4）预测电池组的热场分布；

（5）初步设计锂电池热管理系统；

（6）设计锂电池热管理系统以及进行大量实验分析。

图1.1经典的电池热管理系统设计思路框图

1.3研究的主要内容

纯电动汽车在工作过程中，其动力电池部分会生成大量的热量，热量的堆积可能导致动力电池的工作效率的降低以及循环使用寿命的缩减。本文针对这些问题，以某公司的锂聚合物电池为研究分析对象，通过对电池的热特性分析设计锂动力电池的热管理方案，编写相应的温度采集及控制程序，合理利用FLUET软件进行仿真以及优化处理。本文的主要研究内容如下：

（1）深入分析锂电池的内部结构、工作原理以及产热和传热机理，提出环境温度对锂电池的影响以及改善措施；

（2）从温控方式、电池组的结构、单片机芯片以及温度传感器的选择等方面设计动力电池的热管理方案；

（3）设计合理的电池温度控制策略并编写相应的程序；

（4）使用FLUENT模拟软件对电池组的温度分布进行逐步仿真分析，并分别仿真分析加热方案与散热方案的具体表现，初步提出针对电池热管理方案的相应优化措施。

本文的主要研究内容如图1.2所示。

图1.2主要研究内容框图

2锂动力电池热特性分析

分析锂电池的热特性，有利于了解电池的直接生热机理并确定电池的最佳工作温度范围区间，只有充分地了解锂电池的热特性才能设计出更加符合实际工作状况的动力电池热管理系统。

2.1锂电池结构及热特性

一般在研究动锂电池动的热特性前需要动充分动了解电池内动部的动基本结构与其动产热机理。锂电池在外形上分为方形和柱形，但其内部的氧化还原化学反应和产生热量的形式基本相同。

2.1.1锂电池结构及工作原理

从电化学方面进行分析，动锂电池的主要组成部分为：正极、负极、隔膜、电解液以及外壳等。单体圆柱形锂动离子电池的一般内部结构如图2.1所示。

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