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新能源汽车动力电池包结构优化设计
1、课题目的意义

本文旨在提出一种优化的动力电池包结构设计方案，以改善电池包温度控制、散热、充放电效率等问题，提高电池包安全性、稳定性和使用寿命。这对于电动汽车的续航里程、安全性和使用寿命等关键性能指标有着至关重要的影响。

2、主要设计（研究）内容

本文设计了动力电池包的结构模型，从电池单体选型出发，通过对比不同单体电池的优劣性，确定了选用18650电池单体。根据电动汽车的运行要求，确定了电池单体的组合方式，并进行了模型建模和仿真分析。

同时，本文还建立了动力电池的热管理系统，并进行了部分实验和仿真分析。通过分析电池单体结构和整体结构的热特性，并建立18650电池的热仿真模型，确定了电池单体的物性参数。通过仿真和实验对比，验证了单体电池传热模型的精度。在此基础上，对电池包整体模组进行了热力学仿真，并提出了双液冷板冷却的优化方案。

3、设计（研究）方案

本文以动力电池为研究对象，从电池单体选型出发，选取了18650锂离子电池单体，并通过电池单体的排列和组合确定了电池包的模组总装结构。通过建立动力电池单体和整体模型，并进行热力学仿真分析，对电池包的温度控制和散热效果进行优化。

4、预期成果

本文预期通过优化动力电池包的结构设计方案，改善电池包温度控制、散热、充放电效率等问题，提高电池包的安全性、稳定性和使用寿命。这将有助于提高电动汽车的续航里程、安全性和使用寿命，推动电动汽车的发展和推广。

 

摘要

本文针对电动汽车动力电池寿命短、无法满足长续航里程要求的问题，以动力电池为研究对象。首先，在电池单体选型方面，选择了18650锂离子电池单体，并通过排列和组合确定了电池包的模组总装结构。然后，对电池单体和整体模组进行了热力学仿真，利用Solidworks软件建立了相应的模型，并通过Ansys软件中的Mesh模块进行了网格划分。接着，利用Fluent软件对电池在不同放电倍率下的热特性进行了仿真，并验证了单体电池传热模型的准确性。最后，在自然冷却条件下对电池包整体模组进行了热力学仿真，并提出了优化方案以改善整体散热效果。

关键词：动力电池；热管理系统；结构优化

 

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 研究现状 3

1.3研究目的 4

第2章 电池包结构设计 6

2.1 动力电池包结构设计概述 6

2.2电池单模块结构 7

2.3电池整体模块结构 10

第3章 数值模型建立 11

3.1 温度场CFD分析软件理论 11

3.2物理模型建立 12

3.3 数值求解设置 12

3.4电池物性参数设置 13

第4章 电池温度场CFD仿真 14

4.1电池单体不同放电倍率下的热仿真 14

4.2 电池单体不同放电倍率下的实测对比 15

4.3动力电池包整体的温度场 CFD 仿真 17

4.4动力电池包温度场优化设计分析 20

第5章 经济性分析 24

5.1方案的优点 24

5.2成本分析 24

5.3技术分析 25

第6章 总结与展望 26

6.1总结 26

6.2展望 27

参考文献 29

致    谢 31

总结与展望

总结

针对当前电动汽车动力电池寿命短，本文电池单体选型出发，选取了1865锂离子电池单体，通过电池单体的排列以及各项数字化技术仿真开发了一套完整的动力电池包。确定了电池包的模组结构总装结构，对电池单体和整体模组进行了热力学仿真。利用Solidworks软件建立了动力电池单体和整体模型，通过Ansys软件中的Mesh模块对建立的模型进行网格划分，利用Fluent软件对动力电池单体和液冷电池热管理系统进行仿真对机械结构进行设计，并对电池包整体散热提出了优化方案。

本文工作内容与研究成果如下：

1.设计了动力电池包的结构模型。按照动力电池包机械结构设计要求，从电池单体选型出发，通过对比不同单体电池的优劣性，确定了选用18650电池单体。依据电动汽车的运行要求，确定了 34 串 32 并的单体组合方式，并对电池单模和整体模组设计进行了 Solidworks 建模仿真，初步完成了电池包设计。

2. 本文设计了一套动力电池的热管理系统并进行了实验及仿真分析。此研究从电池结构、整体及热仿真等方面展开深入分析，建立出适用于18650电池的热仿真模型，并通过确定电池单体的物性参数，对电池在0.2C、0.5C、1C放电倍率下的热特性进行了有效的仿真，并将仿真结果与实验做出比较，误差较小。在对单体电池的热力学仿真基础上，本文进一步对电池包整体模组在自然冷却和1C放电倍率条件下进行了热力学仿真。根据仿真结果，发现电池包整体的高温区主要集中在电池模组中间区域，而四周温度较低。针对此问题，本文提出了双液冷板冷却的冷却方式。再次进行了仿真，结果表明，采取双液冷板冷却后，电池包最高温度明显下降，极大地满足了电池工作时的最佳温度需求。此外电池群温度相对较均匀，显示双液冷板结构更加适合电池包的散热。

动力电池包的结构设计和优化是确保电动汽车安全运行和性能提升的关键环节。对动力电池包结构设计与优化非常重要性。保证电池包的安全性：一个合理的动力电池包结构可以有效地避免电池包在使用过程中发生漏电、过热等安全问题，并减少电池包损伤带来的人身财产风险。

提高电池包的使用寿命：通过设计合理的电池包结构，可以让电池更好地适应整个汽车系统，在使用中受到更小的损耗，从而延长电池的使用寿命。

提高电池包的性能表现：可通过优化电池包的结构，提高其能量密度、输出功率、稳定性等性能指标，从而提高电动汽车的综合性能。

结构多样化：目前市场上的动力电池包结构设计已经非常多样化，包括竖向、横向排列，单层、双层、多层等不同形态，以及钢壳、铝壳、塑料壳等不同材质。功能集成化：为了提高电池包的性能和使用寿命，越来越多的功能开始融合到电池包当中。例如电池管理系统、热管理系统、安全保护系统等。标准化需求：由于各个厂商的电池包结构设计存在较大差异，因此制定统一的标准是当前的一个重要任务。国际组织、产业联盟和相关政府部门均在积极推进电池包结构标准。

展望

本文针对动力电池包难以满足当前电动汽车的运行要求，对18650电池包进行设计和仿真，取得了一定成果。但是，总结整体研究仍略有不足和值得继续研究的方面，在此对未来的设计工作提出一些展望：

1.本次对18650电池的温度场系统设计中只提出了电池的液冷系统。电动汽车的运行工况复杂，比如在北方，冬天气温寒冷，过低的气温对于电池运行也是不利的。

2.整体动力电池包设计主要考虑了安全性、可靠性，并没有对电池包的轻量化方面进行研究，电池包的轻量化设计也有巨大的研究空间。

此外，锂电池作为一种重要的能量存储技术，在未来十年有着广阔的发展前景。随着全球范围内对环保问题的日益重视，新能源汽车作为可持续发展的一部分得到了越来越多的青睐。其中，锂电池被认为是目前最具应用潜力和发展前景的动力电池技术之一。

首先，锂电池具有高能量密度。相对于传统的铅酸蓄电池或镍氢电池等动力电池科技，锂电池能够在更轻的体积和重量下储存更多的电能。这种高能量密度使得锂电池可以在限定空间内提供更长时间、更稳定的续航能力，满足人们对新能源汽车的高效、便捷以及舒适、安全需求。

其次，随着科学技术不断进步，锂电池已经经历了多代进化。第一代锂电池由于存在很多缺点已经被淘汰。随后的几代锂电池技术不断改进，在电池容量、寿命、安全等方面都取得了较好的成果。如今，随着工程界对电极材料、电解液以及制造工艺的不断创新，锂电池已经可以保证高效、长寿命和可靠性，从而为新能源汽车的普及尤其是电动汽车领域提供了支持。

最后，政策环境也在推动锂电池在新能源汽车上的发展。各国纷纷出台政策进行优惠扶持或强制要求更新换代的电池技术，这些措施对于锂电池产业发展构成着重要的提振作用。此外，未来几年内，新能源汽车市场仍将会占据较大比例并有着增长的趋势，因而锂电池在新能源汽车的推广应用前景也越来越受到关注。预计未来，锂电池市场持续增长的态势将延续，这对于相关行业内的厂商和创新者都将带来新的机遇和挑战。

总之，随着锂电池科技的不断进步和政策环境的推动，锂电池在新能源汽车领域上拥有广阔的发展前景。以下是锂电池在未来十年可能应用于的领域：

电动交通工具：电动汽车市场在未来十年将继续快速增长。随着电池技术的不断改进和成本的下降，锂电池将成为主流的电动汽车动力源。预计电动汽车的里程续航能力将进一步提高，充电时间将减少，加速性能和充电基础设施也将得到改善。

可再生能源存储：随着可再生能源（如太阳能和风能）的快速发展，锂电池将扮演重要的角色来存储和释放这些能源。它们将被广泛应用于家庭和工业级别的储能系统，帮助平衡电力需求和供应之间的差异，提供稳定的电力输出。

移动设备和消费电子：锂电池在移动设备和消费电子领域已经得到广泛应用，未来十年将继续发展。随着智能手机、平板电脑、可穿戴设备和无人机等的普及，对更高能量密度、更轻便的锂电池需求将增加。

储能系统和微电网：随着电力系统的转型和智能电网的发展，储能系统和微电网的需求也将增加。锂电池将被用于建立分布式能源储存系统，提供可靠的备用电力、调峰削峰功能，以及实现对电网的灵活控制。

航空航天领域：随着对电动航空的关注度提高，锂电池也将在航空航天领域得到广泛应用。电动飞机、无人机和航天器将使用锂电池作为主要的能源存储装置，以实现更长的续航能力和更高的性能要求

总的来说，锂电池在未来十年将在交通运输行业居多，就例如常见的电动汽车，公共交通工具之类的，可以降低运输行业的碳排放，并提高效率和成本效益。

 

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