1、装订线目录第一章 绪论21.1课题研究意义21.2电动汽车发展现状21.2.1 电动汽车发展历史21.2.2国外纯电动汽车的发展现状31.2.3 国内纯电动汽车的发展状况41.2动力电池发展现状4（1） 第一代动力电池：铅酸蓄电池5（2） 第二代动力电池：碱性电池5（3） 第三代动力电池：锂电池5（4） 第四代动力电池：质子交换膜燃料电池51.3电动汽车电池组热管理系统61.3.1蓄电池热管理的必要性及分类61.3.2电池组热管理系统的研究现状7图1.1 本田散热系统示意图71.4本文的研究内容、研究方法及研究意义8第二章 单体锂离子电池热特性研究82.1 锂离子电池内部构造与工作原理82.1
2、.1锂离子电池的优缺点分析82.1.2锂离子电池的分类及结构92.1.3锂离子电池工作原理102.2 锂电池的生热及传热机理分析112.2.1 锂电池的生热机理112.2.2锂离子电池传热机理122.3单体锂离子电池热特性分析142.3.1软件介绍14图3.2 各程序包之间的结构关系15图3.3 FLUENT工作流程图172.3.2单体18650型锂电池物理建模172.3.3锂电池生热速率的计算及数学模型182.3.2锂离子电池单体温度场仿真181C放电结果202c放电结果203c放电结果214c放电结果215c放电结果22不同放电倍率下电池温度差22第三章 锂离子电池组热管理系统的设计与仿真
3、233.1电池组温度场仿真分析233.1.1锂离子电池组建模23电池组实际装配图233.1.2网格划分253.1.3简化后的电池组建模及网格划分253.2各项参数及边界条件的设定261. 内部热源262. 各项参数设计26冷却液物理参数263. 边界条件263.3无液体冷却下电池组散热情况27电池表面最高温度311.2（k）及最低温度306.3（k）27内部热源最高温度312.6（k）283.4电池组热管理系统的结构设计与仿真283.4.1仿真前的准备28湍流模型的选择29求解控制器方式的选择30欠松弛因子的设置303.4.2电池组热管理系统散热性能仿真计算303.5介质流量对热管理系统散热效
4、果的影响313c放电倍率下入口流量为0.003kg/s时的温度分布图323c放电倍率下入口流量为0.03kg/s时的温度分布图323c放电倍率下入口流量为0.3kg/s时的温度分布图33不同入口流量情况下电池温度分布，单位（k）333.6不同放电倍率对热管理系统散热效果的影响332c放电情况下电池内部温度分布情况343c放电情况下电池内部温度分布情况35第四章 总结与展望364.1论文工作总结364.2研究展望36第一章 绪论1.1课题研究意义 在当今社会中，化石能源的严重消耗以及全社会对环境污染的高度重视使得人们必须在很短的时间内找到能够替代传统化石能源的新能源汽车，经过很长一段时间的发展，
5、汽车的动力来源已经从最初单一的化石能源发展为现在的包括众多新型能源的状态。在这些新型能源中，电力因为其成本低、污染低等优点成为了重点关注的对象。以电池作为汽车动力具有众多优点，但是其发展的局限性也是非常明显。电池的续驶里程、安全性等问题成为目前急需解决的问题。在电动汽车的运行过程中，由于电池组不断产生热量，如果没有良好的电动汽车热管理系统及时进行散热，就会在电池组内产生大量热积累，使得电池超出其正常的工作温度区间，产生安全隐患。因此在这种前提下，对电池组热管理系统的研究就显得至关重要。本文的研究选择一款社会中常见的电池组，对其热管理系统工作过程进行仿真与设计，探究其散热效果，对电池组热管理系统
6、的发展具有一定参考意义。1.2电动汽车发展现状1.2.1 电动汽车发展历史19世纪30年代到20世纪电动汽车的崛起从历史的角度来讲，事实上电动汽车的发展可以追溯到1832年到1839年间，由一位苏格兰商人研发出了第一款电动车。1842年，美国人托马斯-达文波特和苏格兰人罗伯特-戴维森研制出一款在当时来讲十分具有里程碑式意义的电动汽车。1865年，盖思顿-普兰特在法国研发出一款高性能蓄电池，16年后又有人改良了电池，奠定了电动汽车的发展基础。到了十九世纪末，美国经济发达，汽车已经逐渐成为当时人们的刚需。对于当时的美国来说，选择一款合适的电动汽车已经成为一种流行。由于电动汽车排放少，内部噪音小，操
7、作简洁等原因，在当时的美国社会已经远远超过需要不断添加水的蒸汽机汽车。相比起蓄电池的续驶里程，当时蒸汽机车的续航里程更短。但是随着内燃机汽车的发展，电动汽车的地位逐渐下降。20世纪20年代到80年代电动汽车发展停滞从20世纪20年代开始，电动汽车的发展进入停滞期，主要原因在于汽油价格的下降，内燃机汽车在各方面的性能都得到了不小的提升，因此在这段时间内，高昂的电动汽车逐渐被人们遗忘，取而代之的是高效廉价的内燃机汽车。20世纪80年代至今电动汽车发展的新篇章20世纪末，内燃机汽车发展达到饱和，人们意识到随着传统燃料的不断消耗，带来的污染问题和资源问题急需解决。因此在新能源汽车的发展中，电动汽车又被
8、重新重视，进入了重点研究的领域。电动汽车因其排放小，性能优等众多优点成为新能源汽车领域的佼佼者。因此，在这一时期，电动汽车正以高速的发展不断适应当前的社会要求。1.2.2国外纯电动汽车的发展现状 纯电动汽车的发展可谓一波三折，到现在，纯电动汽车的发展水平在全球范围来讲也是参差不齐。各个工业大国也都争先恐后地在电动汽车领域进行研究美国：美国是全世界汽车产业最发达的国家，他们对电动汽车的研究也经历了很长的过程。近年来，更是在纯电动汽车领域取得了技术和市场方面的长足进步。美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司在1991年签订协议，合作研究电动汽车的先进电池，联合成立了美国先进电池联合体。1993年，美
9、国克林顿政府设立了新一代汽车合作组织计划。2000年三大汽车公司陆续推出了各自的PNGV概念车。2004年通用与戴姆勒-克莱斯勒宣布携手开发混合动力电动汽车技术。PNGV计划在美国掀起了汽车技术合作的攻坚战。PNGV计划出台后，欧洲、日本纷纷效仿，各自确立了新一代汽车发展计划，从而引发了划时代意义的汽车技术革命。2002年，美国布什政府又制定了Freedom CAR计划，用于取代PNVG计划的新国家及私营合作研究发展计划。近期奥巴马政府又决定放弃对燃料电池的支持，转向为锂离子电池制造商提供财政拨款24亿。欧盟：德国政府十分重视环境保护问题，投入了大量资金用于电动汽车的开发，政府出面，由奔驰和大
10、众两公司合资成立德国汽车工业有限公司科研开发机构。1992年，德国政府拨款2200万马克，在吕根导建立欧洲电动汽车试验基地，对64辆电动汽车和电动汽车的系统工程进行了长达四年的大规模实验。法国既是石油输入国，也是电力大国。有多个核能发电站及丰富的电力资源，核能发电站的电力占全国总电力75%，电力价格低，石油价格是美国的四倍。因此，法国政府在政策上鼓励开发电动汽车和充分利用电力资源。法国政府、法国电力公司、标志-雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司共同签署了承担开发和推广电动汽车的协议。1.2.3 国内纯电动汽车的发展状况 我国汽车工业的起步较晚。但是在改革开放之后，一大批优秀的汽车企业逐渐涌现。在电动
11、汽车领域。经过三个五年计划之后，我国的电动汽车发展取得长足的进步。随着国内经济水平的增长，汽车逐渐成为普通百姓生活中的刚需，这样庞大的市场需求和国家政策引导下，大批的汽车企业开始进入电动汽车领域。 2001年，国家设立电动汽车重大科技专项，确定“三纵三横”战略，以燃料电池汽车、混动汽车、纯电动汽车为“三纵”，多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统为“三横”，拉开了国内电动汽车高速发展的帷幕。现如今，我国电动汽车整体水平进入国际领先行列，而在核心技术的电池和电机方面，我国也逐渐缩小与发达国家的差距，甚至在某些方面已经赶超，其发展速度让世界震惊。目前电动汽车存在着混合
12、动力电动汽车、插电池混合动力、燃料电池、纯电动等多种形式，但他们都受限于电池技术和充电技术的水平，存在着能量密度，续航能力，充电速度，充电站的建设等制约因素，目前混合动力电动汽车已经到了市场水平，几乎每个汽车厂都在研发中，价位也在市场能接受的水平。不仅如此，我国还出台了许多电动车方面的鼓励政策，有买车补贴，对电动汽车的发展有极大的促进作用。 到现在，国内以比亚迪为代表的众多电动汽车企业已经占据了一定的市场份额，电动汽车在公共交通方面也被证实有极大潜力。部分城市已经开始出现电动出租汽车、电动公交汽车等公共交通。在乘用车方面，比亚迪也有许多优秀的产品出现。因此，可以这么说，国内电动汽车现在正处于其
13、发展的黄金阶段。1.2动力电池发展现状电池发展的起步相对较早，但是因技术原因初期发展缓慢，在第二次世界大战后开始快速发展，并先后出现了碱性锌锰电池，镍镉电池等。最早是由一名外国科学家于20世纪中期提出采用有机电解液作为一次电池的电解质，毕竟考虑到环保因素，电池的研发重心开始转向蓄电池、锂电池和燃料电池。从最早使用的干电池到蓄电池，锂聚合物电池和燃料电池等的发展过程中，电池因在体积、能量密度、质量等方面的快速发展，已经有了很大的突破。不仅如此，电池的不断发展也是人们环保意识的体现。目前国内外动力电池的研发历史如下：（1） 第一代动力电池：铅酸蓄电池铅酸蓄电池以阀控式铅酸蓄电池为主，其优点是价格低
14、廉、放电性能良好、资源丰富且回收利用率高，在电动自行车、电动摩托上也有了广泛的应用。尽管已经大范围使用，但它还是存在一定的局限性，比如：内部的原材料铅是有污染的材料，不仅如此，它的质量比能量低，不能满足一些特殊路况的要求。（2） 第二代动力电池：碱性电池碱性电池主要有镍镉电池（Cd-Ni）和镍氢电池（MH-Ni），镍镉电池因为镉的污染已经被禁止用作动力电池。镍氢电池的能量密度高于蓄电池，现在广泛用在混合动力电动汽车（HEV）上，但是在电动自行车上的应用上缺乏市场竞争力，主要是因为价格问题。（3） 第三代动力电池：锂电池锂离子电池（Li-ion）因为其能量密度、使用寿命长、额定电压高、自放电率低
15、、高低温自适应性强，重量轻、绿色环保等优点，在电动汽车上应用广泛。但其也存在一些问题，如安全性差，不能大电流放电等，若能处理好锂电池的散热问题，将大有前景跟市场。（4） 第四代动力电池：质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）其特点是无污染，放电产物是，是真正的电化学装置。它是以或甲醇做为燃料，氧化剂为，直接将化学能直接转为电能的车载动力装置。而与前面提到的铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池则不同，他们只是电能的转换和储能装置。燃料电池发电的原理跟前面提到的电池原理不同，他本身是不能发出电能的，需要先对电池进行插电，然后将电能转化为化学能存在与电池的内部，当电池工作时，化学能转化为电能输出作为车载动力。所以当前这类电池还需要消耗燃料发出的电能。燃料电池目前最经