动力电池热管理技术 散热系统热流场分析

本书结合作者的部分研究成果，根据相关领域的国内外研究进展，围绕动力电池散热系统，分别介绍了动力电池散热系统的研究现状、散热系统设计理论、动力电池生热模型，并结合丰富实例，着重论述了有关被动式风冷散热系统、主动式风冷散热系统与主动式液冷散热系统热流场分析的重要结论。本书主要面向新能源汽车行业的从业人员，适合新能源汽车、动力电池、热管理等领域相关的研究人员和工程技术人员阅读和参考，也可作为高等院校能源与动力工程、电动汽车、电池等相关专业的教材或参考书。

目录
前言
第 １章 动力电池散热系统研究现状１
１.１ 动力电池空气冷却式散热系统 ２
１.１.１ 空气冷却式散热系统工作原理 ２
１.１.２ 空气冷却式散热系统研究现状 ４
１.２ 动力电池系统液体冷却式散热系统 ６
１.２.１ 液体冷却式散热系统工作原理 ６
１.２.２ 液体冷却式散热系统研究现状 ７
１.３ 动力电池系统相变冷却式散热系统 ９
１.３.１ 相变冷却式散热系统工作原理 ９
１.３.２ 相变冷却式散热系统研究现状 １３
１.４ 本章小结 １６
参考文献 １７
第 ２章 动力电池散热系统设计理论 ２１
２.１ 散热系统设计要求 ２１
２.２ 电池单体产热量计算 ２３
２.２.１ 产热机理 ２３
２.２.２ 热物性参数 ２３
２.２.３ 产热模型 ２４
２.２.４ 传热机理 ２５
２.３ 散热系统设计 ２６
２.３.１ 散热方式选择 ２６
２.３.２ 系统匹配设计 ２８
２.３.３ 仿真分析 ５３
２.３.４ 实验验证 ５５
２.４ 本章小结 ５８
参考文献 ５８
第 ３章 动力电池充放电生热模型 ６０
３.１ 电池单体生热模型介绍与国内外研究现状 ６０
３.１.１ 电化学—热耦合模型 ６０
３.１.２ 电—热耦合模型 ６１
３.１.３ 热滥用模型 ６２
３.１.４ 集中质量模型 ６４
３.１.５ 一维模型 ６５
３.１.６ 二维模型 ６５
３.１.７ 三维模型 ６６
３.２ 案例———锂离子电池充放电发热功率测定 ６８
３.２.１ 锂离子电池的工作原理和充放电热分析 ６８
３.２.２ 锂离子电池单体性能和热物性参数 ６９
３.２.３ 锂离子电池单体生热模型搭建 ７１
３.２.４ 锂离子电池单体充放电发热功率测定实验 ７２
３.２.５ 电池单体发热功率测定及分析 ７３
３.２.６ 电池单体发热功率实验测定值与仿真计算比对分析 ７８
３.３ 本章小结 ８０
参考文献 ８０
第 ４章 被动式风冷散热系统热流场分析 ８２
４.１ 动力电池被动式进风散热系统建模 ８２
４.１.１ 被动式进风数学模型建立 ８２
４.１.２ 汽车和风洞物理模型建立 ８２
４.２ 动力电池被动式进风散热系统热流场分析 ８４
４.２.１ 不同出风口模式动力舱热流场分析 ８４
４.２.２ 不同环境温度下动力舱热流场分析 ９２
４.２.３ 不同充放电倍率动力舱热流场分析 ９７
４.２.４ 不同电池组位置动力舱热流场分析 １０３
４.３ 本章小结 １０５
参考文献 １０６
第 ５章 主动式风冷散热系统热流场分析 １０８
５.１ 动力电池主动式进风散热系统建模 １０８
５.１.１ 主动式进风数学模型建立 １０８
５.１.２ 动力电池包物理模型建立 １０９
５.２ 动力电池主动式进风散热系统热流场分析 １０９
５.２.１ 不同进风方向电池包热流场分析 １０９
５.２.２ 不同进风模式电池包热流场分析 １１２
５.２.３ 不同 ＳＯＣ状态电池包热流场分析 １１７
５.２.４ 不同充放电倍率电池包热流场分析 １１９
５.２.５ 不同瞬态工况电池包热流场分析 １２２
５.２.６ 主动式进风散热电池包热流场风道优化分析 １２８
５.３ 本章小结 １３１
参考文献 １３１
第 ６章 主动式液冷散热系统热流场分析 １３３
６.１ 动力电池主动式液冷散热系统建模 １３３
６.１.１ 主动式液冷系统数学模型建立 １３３
６.１.２ 电池包和水冷板物理模型建立 １３３
６.２ 动力电池主动式液冷散热系统热流场分析 １３３
６.２.１ 不同水冷板流径电池包热流场分析 １３３
６.２.２ 不同环境温度电池包热流场分析 １３７
６.２.３ 不同进液流量电池包热流场分析 １４６
６.２.４ 不同模组间隙电池包热流场分析 １６６
６.２.５ 冷板流径优化 １７０
６.３ 本章小结 １７１
参考文献 １７２

前言动力电池散热的目的及意义现阶段，在万物互联、大数据、云计算、增材制造和人工智能等新技术的冲击下，全球制造业迎来了一场新的科技变革。汽车行业作为现代工业的基础支撑，已成为世界各国迎接科技变革的重要突破口。因此， “低碳化、信息化、智能化”逐渐成为汽车行业的发展目标，在此基础上，中国 《汽车蓝皮书》 于２０１６年提出了 “智能化、电动化、电商化、共享化”的汽车行业四化转型目标，逐渐推动汽车行业的快速转型与汽车技术的融合发展，新能源汽车已成为未来汽车发展的必然趋势。伴随动力电池、驱动电机、电控系统等技术的不断优化，加之国家政策的大力支持，如比亚迪、特斯拉、宝马等都推出了性能优良的电动汽车车型，不断助力汽车产业低碳化进程。据中国汽车工程学会提出的中国汽车技术总体发展目标：到 ２０２０年，电动汽车销售量占比将达到 ７％以上；到 ２０３０年，电动汽车的销量占比将超过 ４０％。因此，在未来的很长一段时间内，汽车行业市场将由传统燃油车与以电动汽车为代表的新能源汽车共同组成。
新能源汽车是以传统燃油车作为对照的汽车类型，广义上来讲，不单纯以汽油或柴油为燃料，不依赖或不完全依赖内燃机为动力的汽车，都可以归入新能源汽车。新能源汽车主要有混合动力汽车 （ＨＥＶ，含插电式和增程式）、纯电动汽车 （ＢＥＶ）、燃料电池汽车 （ＦＣＥＶ）、替代燃料汽车等。从节能和降低污染物排放的效果来讲，新能源汽车要好于传统燃油车，其效果从低到高依次是替代燃料汽车、混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车，各国都把纯电动汽车和燃料电池汽车作为远期的发展目标，期望实现完全的电气化驱动。
不管是混合动力汽车，还是电动汽车，动力电池都是其核心组件。从早期的铅酸电池，到后来的镍氢电池，再到后来的锂离子电池，车用动力电池也走过了漫长的过程。锂离子电池作为目前电动汽车使用的主要动力电池类型，其性能、寿命、成本、安全性等对电动汽车的发展有非常重大的影响。国内外针对动力电池都投入了大量的人力、物力和财力进行研究。在新能源汽车的发展战略中，世界各国都依据自己的评估作了不同的选择，对相关电池技术的研发及推广采取了不同的扶持策略。在常用的三种车载电池中，铅酸电池由于会造成严重的环境污染，早已退出主流应用；镍氢电池虽然是目前商用化的主流，但其主要指标的实验室测试数据均低于锂电池，且理论上基本不存在提升空间，同时又由于存在 “记忆效应”，即电池在循环充放电过程中容量会出现衰减而过度充电或放电，可能加剧电池的容量损耗；锂电池尽管性能优越，然而安全性尚不能得到保证，且相对较高的成本也阻碍了其商用化进程。另一方面，国家工信部、发改委等部门联合发布的 《促进汽车动力电池产业发展行动方案》提出了 “到 ２０２０年，新型锂离子动力电池单体比能量超过 ３００Ｗ·ｈ／ｋｇ；系统比能量力争达到２６０Ｗ·ｈ／ｋｇ、成本降至 １元／Ｗ·ｈ以下，使用环境达 －３０～５５℃，可具备 ３Ｃ充电能力。到 ２０２５年，新体系动力电池技术取得突破性进展，单体比能量达 ５００Ｗ·ｈ／ｋｇ。”的发展目标，这对锂电技术进一步发展与在电动汽车上的应用提出了更高的要求。
动力电池的成本、性能和寿命在很大程度上决定了电动汽车的成本和可靠性，所以任何影响到电池的参数都需要优化，其中动力电池自身温度高低和内部温度均匀性对其性能和寿命影响很大。较高的温度会加速其化学反应，从而对电池结构产生永久性的破坏，此外，高温不但会损坏极板，而且容易导致过充电现象，严重影响电池的使用寿命。有研究表明：在 ４５℃环境温度下工作时，电池的循环次数减少近 ６０％，当高倍率充电时，温度上升 ５℃，电池寿命将减半；还有学者提出电池单体需要诸如阻燃电池套、爆炸盘等额外的保护措施，以防止电池产生危害。
不同种类电池具有不同的工作温度范围，例如铅酸电池的温度范围为 ２５～４５℃；镍氢电池为 ２０～５０℃；锂电池为 ２０～３０℃。受环境温度变化、导热条件不佳等因素限制，电池的实际工作温度常常会超出上述范围，比如混合动力电动汽车使用时，环境温度的变化范围可达到３０～６０℃。动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小，电池内部热量不易散出，更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题，从而进一步加速电池衰减，缩减电池寿命，增加用户的总拥有成本。
电动汽车在行驶过程中，动力电池放电电流波动起伏。汽车在起动、加速等情况下，电流变化较大且产热不均衡。电池模块内部的温度均匀性是影响电池组性能的重要因素，不同模块之间的温度差异过大，会加剧电池内阻和容量的不一致性。如果长时间积累，会造成部分电池过充电或者过放电现象，进而影响电池的寿命与性能，并造成安全隐患。因此，对于动力电池来说，仅仅依靠电池单体配方调整不能解决所有问题，设计时必须考虑安装冷却系统，对电动汽车动力电池进行有效散热。综上所述，适宜的工作温度是电池良好性能发挥的前提。因此，开发一种行之有效的电池散热系统，设计一种稳定、