FSEC电动赛车动力电池热管理系统研究

发布时间：2017-07-19 01:15

  本文关键词：FSEC电动赛车动力电池热管理系统研究

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【摘要】：近几年随着全球范围内新能源汽车发展的新形势,大学生纯电动方程式汽车大赛(Formula Student Electric China,FSEC)逐渐在赛车运动中得到广泛的推广,尤其在高校中最为流行。纯电动赛车因运动的极限性和极端恶劣的赛事工况,其动力电池系统极易出现过热或散热不良现象,而电池热管理的研究与应用正好可有效的改善这一问题,提高赛车安全性和可靠性。而这之前,很少有结合FSEC的动态工况对电动赛车的电池系统进行深入的研究。因此本文将以纯电动赛车的钴酸锂动力电池系统为研究对象,结合FSEC动态赛况,通过设计合理的电池热管理系统,确保电池始终工作于能量利用率最高的温度范围内,从而提高赛车的安全性。本文首先从电池的生热机理研究入手,分析了电池生热量的来源,并建立了三维电池热模型和简化的Bernardi生热速率模型,采用理论估算手段获取了电池等效热物性参数。搭建了电池内阻试验平台,通过试验测试获取了电池的等效内阻数据,为后文的电池热特性的分析奠定了基础。基于传热与散热基本理论定性的分析了电池内部生热的换热过程,利用ANSYS/thermal有限元热分析软件对电池单体在FSEC动态工况下的温度特性进行了仿真分析。自主设计了温度采集系统,并搭建电池组温度测试实验台用来监测电池表面的温度变化情况。对比分析仿真结果与试验测试数据,结果表明温度的变化过程吻合良好,最大误差不超过8%,验证了本文建立的电池热模型以及热参数的准确性和适应性。以节能与轻量化为原则,对电动赛车动力电池系统完成了容量需求与参数匹配的计算。根据热力学理论确定了电池组在FSEC动态赛工况的散热需求,并基于FSEC规则要求以及整车布置完成了电池箱散热系统的初步设计。采用了正交试验设计法以散热风机位置、电池组排布等为主要影响因素,以降低电池箱内最高温度为前提,最大化降低温差为目标优化了电池散热系统的结构,并建立了ANSYS/Icepak参数化的电池箱仿真模型,仿真结果表明本文的最大温差减小了40%。最后进行了实体的加工与制造并完成了电池箱的组装,对比试验测试数据与仿真结果发现吻合良好,最大误差不超过2℃,表明本文设计的电池箱散热系统可保证赛车的电池系统在FSEC中散热性能良好,同时满足了赛车安全性要求,对未来方程式电动赛车的设计与开发具有一定的指导意义。
【关键词】：电动赛车 电池热管理 动态工况 热分析 正交试验设计
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题来源及研究的意义9-10
• 1.2 国内外研究现状及分析10-15
• 1.2.1 动力电池技术发展现状10-11
• 1.2.2 动力电池热管理系统研究现状11-15
• 1.3 本论文主要研究内容15-16
• 第2章 电池热模型的建立16-25
• 2.1 锂电池生热机理16-17
• 2.2 锂电池热模型的建立17-21
• 2.2.1 电池热物性参数的获取18-20
• 2.2.2 电池生热速率模型20-21
• 2.3 电池内阻测试21-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第3章 锂离子电池单体热特性分析25-46
• 3.1 热力学数值仿真基本理论25-27
• 3.1.1 传热的基本方式25-26
• 3.1.2 ANSYS有限元热分析26-27
• 3.2 电池温度场仿真分析27-34
• 3.2.1 仿真模型的建立27-28
• 3.2.2 热源加载及边界条件设置28-29
• 3.2.3 仿真结果与分析29-34
• 3.3 温度测试试验台的搭建34-39
• 3.3.1 温度采集系统的设计34-39
• 3.3.2 温度测试平台的搭建39
• 3.4 热模型的验证39-45
• 3.4.1 FSEC动态工况40-43
• 3.4.2 完全放电工况43-45
• 3.4.3 误差分析45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 电池热管理系统的设计与优化46-72
• 4.1 动力电池系统参数匹配设计计算46-50
• 4.1.1 电池组容量的确定46-48
• 4.1.2 电池组参数匹配48-50
• 4.1.3 电池组设计50
• 4.2 电池组散热量需求50-52
• 4.2.1 极限大电流恒流工况50-52
• 4.2.2 循环工况52
• 4.3 电池热管理系统的设计52-58
• 4.3.1 风扇风量和选型53
• 4.3.2 电池箱散热系统初步设计53-55
• 4.3.3 电池箱温度场仿真及结果分析55-58
• 4.4 电池热管理系统优化设计58-68
• 4.4.1 正交试验设计方法58
• 4.4.2 电池箱优化设计58-64
• 4.4.3 优化后的电池箱仿真结果分析64-68
• 4.5 试验验证68-71
• 4.5.1 电池组试验台测试68-70
• 4.5.2 实车调试设计70-71
• 4.6 本章小结71-72
• 结论72-74
• 参考文献74-80
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果80-82
• 致谢82

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本文编号：560613