【動力電池熱管理科技及關鍵資料】

內容簡介

《動力電池熱管理技術及關鍵材料》一書重點介紹了動力電池熱管理科技的策略和方法，具體圍繞動力電池熱管理的基本情况、動力電池熱-電化學特性、動力電池量熱方法及測試設備、動力電池風冷系統、動力電池液冷系統、相變冷卻科技及資料、電池低溫加熱科技和資料、電池熱安全中的感測器科技、多物理場耦合模擬技術與方法、熱管理及隔熱防護資料、熱管理系統中的換熱器組件、整車熱管理運行及實踐、其他動力運載工具等內容展開，旨在通過跨學科、跨專業的知識和方法剖析熱管理科技，為實現動力電池安全性提供理論與技術支援。 本書注重理論聯繫實際，充實理論，加强應用，不僅可作為高等學校能源與動力工程、新能源科學與工程、儲能科學與工程、材料工程等專業的教材，還可作為動力電池、新能源汽車等相關行業的工程技術人員、科研人員和管理人員的參考書。

作者簡介

張國慶，廣東工業大學教授，於2022年度獲教書育人獎。 曾主持或參與過的重點專案包括國家國際科技合作專項（中國和以色列合作項目、中國和日本合作項目）、國家863科技計畫項目、粵港關鍵領域重點突破招投標項目、廣東省新能源汽車重大專項、華為技術有限公司委託項目及美國國際銅專業委員會全球招標專案等50多項。 累計發表論文150餘篇，其中SCI論文90餘篇。 申請專利90餘件，其中授權發明專利40餘件。 在科學出版社出版專著《電池熱管理》。 張國慶教授與多個知名龍頭企業（華為、欣旺達、沃特瑪、格力等）開展產學研深度合作，取得的經濟和社會效益顯著。 前後共四次榮獲廣東省科學技術獎，其中，2020年度獲廣東省科技進步獎一等獎。

目錄

第1章概論001

1.1動力電池熱管理的必要性001

1.1.1電動汽車發展的必然性001

1.1.2電動汽車發展面臨的科技瓶頸001

1.1.3動力電池熱管理科技002

1.2動力電池熱管理功能要求004

1.3動力電池熱管理科技分類005

1.3.1以空氣為介質的電池熱管理系統005

1.3.2以液體為介質的電池熱管理系統005

1.3.3以相變資料為介質的電池熱管理系統006

1.3.4其他熱管理系統007

1.4電池熱管理關鍵資料008

1.5涉及的感測器科技009

參考文獻010

第2章動力電池熱-電化學特性011

2.1動力電池的電化學特性011

2.1.1動力電池基礎電化學性能參數011

2.1.2動力電池效能衰退機理及影響因素分析014

2.2動力電池產熱特性017

2.2.1溫度對電池產熱的影響017

2.2.2動力電池產熱量來源019

2.3動力電池熱-電化學特性關聯性020

2.3.1熱-電化學特性互動關係理論基礎020

2.3.2磷酸鐵鋰電池熱-電化學特性關聯性021

2.3.3三元系動力鋰電池熱-電化學特性關聯性026

2.3.4新型動力電池熱-電化學特性關聯性032

2.4超級電容器熱-電化學特性034

2.4.1超級電容器簡介035

2.4.2超級電容器產熱036

2.4.3超級電容器熱-電化學特性039

參考文獻042

第3章動力電池量熱方法及測試設備045

3.1加速量熱儀045

3.1.1設備介紹045

3.1.2測試原理046

3.1.3測試案例047

3.2等溫量熱儀050

3.2.1設備介紹050

3.2.2測試原理051

3.2.3測試案例052

3.3差示掃描量熱儀054

3.3.1設備介紹054

3.3.2測試原理054

3.3.3測試案例056

3.4其他量熱測試設備057

3.4.1水量熱儀057

3.4.2錐形量熱儀058

參考文獻060

第4章動力電池風冷系統061

4.1風冷系統分類與應用061

4.1.1被動/主動式風冷系統061

4.1.2串列/並行式風冷系統062

4.2風冷系統前沿研究現狀063

4.2.1電池佈局管道063

4.2.2設定擾流結構063

4.2.3優化流道形狀064

4.2.4風冷耦合管道066

4.3風冷創新設計示例066

4.3.1系統概念設計066

4.3.2系統模型構建068

4.3.3溫控性能優化069

參考文獻073

第5章動力電池液冷系統075

5.1液冷系統分類與應用075

5.1.1被動式與主動式液冷075

5.1.2非接觸式與接觸式液冷076

5.1.3液冷流體工質簡介077

5.2板式液冷系統077

5.2.1液冷板類型077

5.2.2板式液冷放置形式078

5.2.3板式液冷進出形式079

5.2.4板式液冷流道形式080

5.2.5板式液冷尺寸形式081

5.3管式液冷系統082

5.3.1直管式冷卻082

5.3.2環繞式冷卻082

5.4直冷式液冷系統083

5.4.1直冷式工作原理083

5.4.2製冷劑物性參數084

5.4.3直冷式冷板設計086

5.4.4直冷式應急冷卻087

5.5浸沒式冷卻系統088

5.5.1浸沒工質088

5.5.2單相流體092

5.5.3多相流體092

5.5.4浸沒式設計示例093

5.6工程實例095

參考文獻096

第6章相變冷卻科技及資料099

6.1相變資料簡介099

6.2相變資料的分類100

6.2.1以相變形式分類100

6.2.2以相變溫度範圍分類100

6.2.3以資料成分分類101

6.3定形相變資料製備方法104

6.3.1多孔基體吸附法104

6.3.2熔融共混法104

6.3.3原位聚合法105

6.3.4微膠囊法105

6.4相變資料電池熱管理科技105

6.4.1增强複合相變資料的導熱效能106

6.4.2增强複合相變資料的電絕緣效能107

6.4.3增强複合相變資料的力學性能107

6.4.4增强複合相變資料的阻燃效能108

6.5相變資料耦合二次散熱科技109

6.5.1 PCM耦合空冷散熱109

6.5.2 PCM耦合液冷散熱109

6.5.3 PCM耦合熱管散熱110

6.5.4 PCM耦合其他金屬器件111

6.5.5科技耦合存在的問題111

參考文獻112

第7章電池低溫加熱科技和資料114

7.1低溫加熱科技114

7.2外部加熱115

7.2.1空氣加熱115

7.2.2液體加熱116

7.2.3電阻加熱117

7.2.4熱泵加熱118

7.2.5 PCM加熱119

7.2.6其他外部加熱科技120

7.2.7外部加熱科技總結123

7.3內部加熱123

7.3.1內部自加熱124

7.3.2相互脈衝加熱125

7.3.3自熱式鋰離子電池125

7.3.4交流電加熱127

7.3.5內部加熱科技總結128

7.4電池加熱系統的資料應用129

參考文獻131

第8章電池熱安全中的感測器科技134

8.1電池管理系統中的感測器科技134

8.2電池安全性能感測器科技135

8.2.1電流感測器科技135

8.2.2電壓感測器科技137

8.2.3溫度感測器科技138

8.2.4濕度感測器科技139

8.2.5應力應變感測器科技141

8.3電池安全預警感測器科技143

8.3.1氣壓感測器科技143

8.3.2多類氣體感測器科技143

參考文獻147

第9章多物理場耦合模擬技術與方法149

9.1模擬技術與模擬軟件149

9.1.1動力電池模擬技術149

9.1.2商用模擬軟件ANSYS和COMSOL 150

9.2共軛傳熱與流動模型介紹151

9.2.1共軛傳熱簡介151

9.2.2共軛傳熱應用151

9.2.3流體流動模型151

9.3動力電池熱-電化學模型介紹153

9.3.1電池產熱與熱失控模型153

9.3.2電池等效電路模型156

9.3.3老化模型157

9.4雙電位MSMD電池模型理論159

9.4.1概述159

9.4.2 NTGK方法159

9.4.3 Newman’s P2D方法160

9.5主動式電池熱管理類比163

9.5.1基於強制風冷的熱管理系統類比案例163

9.5.2基於液體冷卻的熱管理系統類比案例169

9.5.3混合式電池熱管理系統類比案例173

9.6被動式電池熱管理類比184

9.6.1相變傳熱與熔化凝固理論184

9.6.2基於相變資料的類比案例187

9.6.3基於熱管的電池熱管理案例193

9.7電池熱失控類比與結構優化設計199

9.7.1電池熱失控類比199

9.7.2結構優化設計201

參考文獻208

第10章熱管理及隔熱防護資料212

10.1整車電池包熱管理資料212

10.1.1導熱資料212

10.1.2密封材料215

10.1.3結構支撐資料216

10.2電池灾害防護資料217

10.2.1防火阻燃資料217

10.2.2電池滅火資料218

10.2.3隔熱防護資料——氣凝膠221

參考文獻224

第11章熱管理系統中的換熱器組件226

11.1換熱器組件226

11.1.1換熱器種類226

11.1.2結構設計228

11.1.3換熱效率234

11.2換熱器製造236

11.2.1工藝流程236

11.2.2品質控制240

11.3典型失效模式242

11.3.1主機板開裂242

11.3.2板式換熱器內漏243

11.3.3腐蝕失效244

第12章整車熱管理運行及實踐246

12.1整車熱管理的戰畧意義與發展前景246

12.1.1戰畧意義246

12.1.2整車熱管理系統的研究範圍與研究目標248

12.1.3整車熱管理系統的主要對象與關鍵技術249

12.2整車熱管理的控制理念與分類250

12.2.1熱管理系統的控制理念250

12.2.2整車熱管理系統的分類253

12.3熱管理系統的功能安全設計

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【鋰離子動力蓄電池熱管理科技】

內容簡介

《鋰離子動力蓄電池熱管理技術》結合作者的研究成果，根據相關領域的國內外研究進展，圍繞車用鋰離子電池熱管理科技，介紹了車用鋰離子電池的充放電溫度特性、鋰離子電池電熱耦合建模方法，重點論述了鋰離子電池的風冷與液冷散熱、鋰離子電池基於PTC與寬線金屬膜加熱方法、電池正弦交流電自加熱與電池安全演變特性與管理策略等方面實驗研究與模擬模擬的重要結論。

《鋰離子動力蓄電池熱管理技術》主要面向新能源汽車行業從業人員，適合新能源汽車、熱管理、電池等相關領域的研究人員和工程技術人員閱讀和參攷，也可作為能源與動力、電動汽車、電池等相關專業的大學生與研究生的教材或參考書。

目錄

叢書序

前言

第1章動力電池熱管理研究現狀

1.1新能源汽車與動力電池

1.2動力電池熱管理和熱安全

1.3動力電池熱管理研究方法

1.3.1動力電池組加熱方法

1.3.2動力電池組散熱方法

1.4動力電池熱特徵建模研究現狀

1.4.1動力電池產熱模型研究

1.4.2動力電池熱失控建模研究

參考文獻

第2章鋰離子電池充放電溫度特性分析

2.1鋰離子電池結構與工作原理

2.1.1鋰離子電池的結構

2.1.2鋰離子電池的工作原理

2.2溫度對鋰離子電池充放電效能的影響

2.2.1電池充放電溫度特性實驗平臺

2.2.2鋰離子電池常溫充放電特性

2.2.3溫度對電池放電電壓的影響

2.2.4溫度對電池放電容量的影響

2.2.5溫度對電池充電容量的影響

2.2.6溫度對電池內阻的影響

2.3鋰離子電池充放電溫度特性實驗分析

2.3.1鋰離子電池放電溫度特性分析

2.3.2鋰離子電池充電溫度特性分析

參考文獻

第3章鋰離子電池電熱耦合建模

3.1鋰離子電池產熱和熱傳導原理

3.1.1鋰離子電池產熱

3.1.2鋰離子電池熱傳導

3.2鋰離子電池熱物性參數

3.2.1導熱係數

3.2.2電池密度

3.2.3電池比熱容

3.3基於Bernardi生熱率的電池電熱耦合模型

3.3.1電池電熱耦合模型建模及驗證

3.3.2引入電流密度的電熱耦合模型建模及驗證

3.4基於電化學理論的電池電熱耦合模型

3.4.1偽二維電化學模型

3.4.2擴展單粒子電化學模型

3.4.3鋰離子電池熱模型

3.4.4電熱耦合模型

3.4.5電熱耦合模型驗證

3.5圓柱形電池徑向分層電熱耦合模型

3.5.1徑向分層電熱耦合建模

3.5.2基於遺傳演算法的電池熱物性參數辨識

3.5.3徑向分層模型驗證

參考文獻

第4章鋰離子電池組風冷散熱建模與優化

4.1鋰離子電池組風冷散熱分類

4.2電池組散熱流場理論

4.3鋰離子電池組風冷散熱有限元模擬建模

4.3.1有限元模擬流程

4.3.2電池組幾何模型

4.3.3電池組流場選擇

4.3.4電池組穩態散熱模擬計算

4.4鋰離子電池組風冷散熱方案模擬優化

4.4.1導熱鋁板結構優化

4.4.2進出風口優化

4.4.3電池箱高度優化

4.4.4進風速度影響

4.4.5電池組散熱溫度一致性模擬分析

4.5風冷散熱電池組實例分析

4.5.1電池組散熱方案

4.5.2電池組散熱模擬分析

參考文獻

第5章鋰離子電池組液冷散熱建模與優化

5.1鋰離子電池組液冷散熱方案

5.2鋰離子電池組液冷散熱有限元模擬建模

5.2.1幾何模型

5.2.2模型設定

5.2.3模擬分析

5.3鋰離子電池組液冷散熱方案模擬分析

5.3.1環境溫度對電池組液冷散熱的影響

5.3.2充放電倍率對電池組液冷散熱的影響

5.3.3流速對電池組液冷散熱的影響

5.3.4介質對電池組液冷散熱的影響

參考文獻

第6章鋰離子電池外部加熱科技

6.1基於PTC加熱電池特性研究

6.1.1 PTC加熱原理

6.1.2 PTC加熱實驗方案

6.1.3 PTC加熱電池溫度特性分析

6.2基於PTC加熱電池有限元模擬分析

6.2.1模型簡化

6.2.2初始條件和邊界條件

6.2.3模型驗證及模擬結果分析

6.3基於PTC電池自加熱特性研究

6.3.1自加熱方案與實驗設計.

6.3.2自加熱方案溫度特性分析

6.3.3電池組PTC自加熱生熱特性

6.4基於PTC電池自加熱模擬分析

6.4.1模型簡化

6.4.2幾何模型建立

6.4.3模擬結果分析

6.5基於金屬膜加熱電池充放電效能

6.5.1低溫外部供電加熱後恒流充放電效能

6.5.2低溫外部供電加熱後脈衝充放電效能

6.5.3低溫自加熱電池充放電特性

6.6基於金屬膜加熱電池有限元模擬分析

6.6.1鋰離子電池三維幾何模型簡化

6.6.2鋰離子電池比熱容實驗獲取方法

6.6.3模擬結果分析

參考文獻

第7章基於正弦交流電的鋰離子電池內部加熱

7.1鋰離子電池正弦交流電加熱原理

7.2電池正弦交流電加熱電熱耦合模型

7.2.1交流電加熱的等效電路模型

7.2.2交流電加熱鋰離子電池熱模型

7.2.3交流電加熱電池電熱耦合機制

7.3鋰離子電池正弦交流電加熱實驗與模型驗證

7.3.1實驗平臺搭建

7.3.2不同溫度及SOC下電池阻抗特性

7.3.3正弦交流電加熱的等效電路模型驗證

7.3.4電-熱耦合模型實驗驗證與分析

7.4交流電頻率和幅值對電池的加熱效果分析

7.5交流電加熱對電池壽命影響的機理分析

7.5.1低溫極化電壓與低溫鋰離子沉積的影響

7.5.2低溫交流電加熱電極反應原理

7.6鋰離子電池正弦交流電加熱控制策略

7.6.1正弦交流電加熱優化

7.6.2 SQP優化算灋基本理論

7.6.3優化加熱控制策略模擬結果分析

7.7正弦交流電加熱電池溫度場模擬與實驗

7.7.1電化學-熱耦合建模

7.7.2基於電化學的電熱耦合模型驗證

7.7.3正弦交流電加熱的電池溫度場模擬

7.7.4基於優化的加熱控制策略實驗驗證

7.8正弦交流電加熱方案實現

7.8.1電動車輛自加熱系統方案

7.8.2電池組參數匹配

7.8.3自加熱系統電路設計與模擬

7.8.4自加熱前後電池組效能模擬

參考文獻

第8章鋰離子電池熱安全演變特性與管理策略

8.1鋰