电动汽车动力电池热管理技术

前言

致谢

第1章电动汽车介绍1

1.1引言1

1.2技术发展和商业化2

1.3汽车架构4

1.3.1内燃机汽车4

1.3.2纯电动汽车5

1.3.3混合动力汽车6

1.3.4燃料电池汽车8

1.4混合度9

1.4.1微混混合动力汽车10

1.4.2轻混混合动力汽车11

1.4.3强混或功率辅助混合动力汽车11

1.4.4插电式混合动力汽车（或增程式电动汽车）11

1.5混合动力车辆架构12

1.5.1串联混合动力汽车12

1.5.2并联混合动力汽车13

1.5.3并联/串联混合动力汽车13

1.5.4复杂混合动力汽车13

1.6储能系统13

1.6.1电池13

1.6.2超级电容（UCS）15

1.6.3飞轮储能器16

1.6.4燃料电池17

1.7电网连接18

1.7.1充电器的功率水平和基础设施18

1.7.2传导充电19

1.7.3感应充电20

1.7.4智能电网和V2G/V2H/V2X系统21

1.8可持续性、环境影响和成本24

1.9车辆热管理26

1.9.1散热器回路26

1.9.2电力电子冷却回路26

1.9.3驱动单元冷却回路27

1.9.4空调回路27

1.10车辆驾驶模式和循环29

1.11案例研究30

1.11.1引言30

1.11.2研究项目31

1.11.3政府奖励31

1.12结语38

缩略语39

问题39

参考文献40

第2章电动汽车电池技术42

2.1引言42

2.2当前的电池技术42

2.2.1铅酸电池43

2.2.2镍镉电池44

2.2.3镍氢电池45

2.2.4锂离子电池46

2.3正在开发的电池技术49

2.3.1锌-空气电池51

2.3.2钠-空气电池51

2.3.3锂-硫电池52

2.3.4铝-空气电池53

2.3.5锂-空气电池53

2.4电池特性55

2.4.1电池成本55

2.4.2电池对环境的影响56

2.4.3电池材料资源58

2.4.4各种负荷和环境条件的影响61

2.5电池管理系统（BMS）63

2.5.1数据采集65

2.5.2电池状态评估66

2.5.3均衡充电68

2.5.4安全管理/故障诊断72

2.5.5热管理72

2.6电池制造和测试过程72

2.6.1制造过程73

2.6.2测试流程74

2.7结语76

缩略语77

问题77

参考文献78

第3章被动式热管理系统中相变材料的使用81

3.1引言81

3.2相变材料的基本特性和类型81

3.2.1有机 PCM86

3.2.2无机化合物 PCM89

3.2.3共晶化合物 PCM90

3.3相变材料热物性参数的测量92

3.4增强传热能力93

3.5相变材料的成本和环境影响96

3.6相变材料的应用97

3.7案例1:使用PCM的EV电池包换热器设计与优化100

3.7.1系统描述及参数设置100

3.7.2潜热热能储存系统的设计和优化104

3.8案例2：强制对流作用下球形壳体中石蜡的熔化与凝固112

3.8.1数值模型验证和模型独立性测试115

3.8.2性能指标117

3.8.3结果和讨论119

3.9结语125

术语125

希腊字母126

下标126

缩略语127

问题127

参考文献128

第4章电池热管理系统的仿真及试验研究130

4.1引言130

4.2电芯和模组的数值模型开发130

4.2.1PCM应用数值研究的物理模型131

4.2.2初始条件、边界及模型假设131

4.2.3材料特性和模型输入参数133

4.2.4控制方程和本构定律138

4.2.5模拟模型的开发140

4.3电芯和模组级别的实验搭建和过程141

4.3.1电芯和模组仪表化141

4.3.2换热器的仪表化143

4.3.3相变材料和纳米颗粒混合物的制备144

4.3.4改善颗粒的表面排列147

4.3.5测试台架搭建147

4.4整车级试验搭建及流程149

4.4.1建立数据采集硬件149

4.4.2建立数据采集软件152

4.5举例说明:基于相变材料的液式电池热管理系统仿真和实验155

4.5.1电芯级的模拟与实验156

4.5.2模组中电芯之间的模拟和实验168

4.5.3模组级的模拟和实验173

4.5.4光学观测184

4.5.5整车级试验195

4.5.6案例研究结论205

4.6结语206

术语207

希腊字母207

下标208

缩略语208

问题208

参考文献209

第5章电池热管理系统的能量分析和分析210

5.1引言210

5.2热管理系统对比211

5.2.1热力学分析212

5.2.2电池传热分析215

5.3热管理系统关键零部件建模217

5.3.1压缩机219

5.3.2热交换器219

5.3.3热力膨胀阀221

5.3.4电池222

5.3.5系统参数222

5.4能量和分析223

5.4.1传统分析224

5.4.2强化分析228

5.5举例说明:液冷电池热管理系统230

5.6案例研究:基于跨临界CO2的电动汽车电池热管理系统243

5.6.1引言244

5.6.2系统开发244

5.6.3热力学分析247

5.6.4结果与讨论248

5.6.5结语252

5.7结语253

术语253

希腊字母254

下标254

缩略语255

问题255

参考文献256

第6章电池热管理系统(TMS)的成本、环境影响和多目标优化258

6.1引言258

6.2经济性分析259

6.2.1成本平衡方程259

6.2.2设备采购成本的相关性260

6.2.3成本核算261

6.2.4经济性评价263

6.2.5增强的经济性分析264

6.2.6环境经济性（环境成本）分析264

6.3环境分析265

6.3.1环境影响平衡方程265

6.3.2环境影响的相关性266

6.3.3蓄电池的生命周期评价267

6.3.4环境影响核算268

6.3.5环境评价270

6.4优化方法271

6.4.1目标函数271

6.4.2决策变量和约束272

6.4.3遗传算法273

6.5举例说明：液冷电池热管理系统275

6.5.1常规经济性分析结果275

6.5.2增强的经济分析结果278

6.5.3电池的环境影响评估283

6.5.4环境分析结果285

6.5.5多目标优化结果288

6.6结语293

术语293

希腊字母294

下标294

缩略语295

问题295

参考文献296

第7章案例研究297

7.1引言297

7.2案例研究1： 传统汽车、混合动力、电动汽车以及氢燃料车辆在经济与

环境方面的比较297

7.2.1引言297

7.2.2分析298

7.2.3结论和讨论302

7.2.4结语305

7.3案例研究2：方形电池温度分布实验和理论研究305

7.3.1引言305

7.3.2系统描述306

7.3.3分析307

7.3.4结果及讨论309

7.3.5结语315

7.4案例研究3：基于充放电循环的电动汽车锂离子电池热管理方案315

7.4.1引言315

7.4.2系统描述316

7.4.3分析317

7.4.4结果和讨论328

7.4.5结语337

7.5案例研究4：基于相变材料的电动汽车动力电池热管理337

7.5.1引言337

7.5.2系统描述338

7.5.3分析340

7.5.4结果及讨论342

7.5.5结语350

7.6案例研究5:新型相变材料的热应用实验与理论研究351

7.6.1引言351

7.6.2系统描述351

7.6.3 分析359

7.6.4结果及讨论367

7.6.5结语377

术语378

希腊字母380

下标380

缩略语381

参考文献382

第8章替代技术与展望385

8.1引言385

8.2突出挑战385

8.2.1消费者感知385

8.2.2社会技术因素387

8.2.3自我强化过程388

8.3新兴电动汽车技术及发展趋势390

8.3.1主动道路390

8.3.2V2X与智能电网391

8.3.3换电技术392

8.3.4电池二次使用394

8.4未来电池热管理技术395

8.4.1热电材料396

8.4.2磁冷却396

8.4.3压电风扇/双冷却射流397

8.4.4其他潜在的电池热管理系统398

8.5结语399

缩略语399

问题399

参考文献400