電動汽車動力電池熱管理技術 Thermal Management of Electric Vehicle Battery Systems

目錄
前言
致謝
第1章電動汽車介紹1
1.1引言1
1.2技術發展和商業化2
1.3汽車架構4
1.3.1內燃機汽車4
1.3.2純電動汽車5
1.3.3混合動力汽車6
1.3.4燃料電池汽車8
1.4混合度9
1.4.1微混混合動力汽車10
1.4.2輕混混合動力汽車11
1.4.3強混或功率輔助混合動力汽車11
1.4.4插電式混合動力汽車（或增程式電動汽車）11
1.5混合動力車輛架構12
1.5.1串聯混合動力汽車12
1.5.2並聯混合動力汽車13
1.5.3並聯/串聯混合動力汽車13
1.5.4複雜混合動力汽車13
1.6儲能係統13
1.6.1電池13
1.6.2超級電容（UCS）15
1.6.3飛輪儲能器16
1.6.4燃料電池17
1.7電網連接18
1.7.1充電器的功率水平和基礎設施18
1.7.2傳導充電19
1.7.3感應充電20
1.7.4智能電網和V2G/V2H/V2X系統21
1.8可持續性、環境影響和成本24
1.9車輛熱管理26
1.9.1散熱器迴路26
1.9.2電力電子冷卻迴路26
1.9.3驅動單元冷卻迴路27
1.9.4空調迴路27
1.10車輛駕駛模式和循環29
1.11案例研究30
1.11.1引言30
1.11.2研究項目31
1.11.3政府獎勵31
1.12結語38
縮略語39
問題39
參考文獻40

第2章電動汽車電池技術42
2.1引言42
2.2當前的電池技術42
2.2.1鉛酸電池43
2.2.2鎳鎘電池44
2.2.3鎳氫電池45
2.2.4鋰離子電池46
2.3正在開發的電池技術49
2.3.1鋅-空氣電池51
2.3.2鈉-空氣電池51
2.3.3鋰-硫電池52
2.3.4鋁-空氣電池53
2.3.5鋰-空氣電池53
2.4電池特性55
2.4.1電池成本55
2.4.2電池對環境的影響56
2.4.3電池材料資源58
2.4.4各種負荷和環境條件的影響61
2.5電池管理系統（BMS）63
2.5.1數據採集65
2.5.2電池狀態評估66
2.5.3均衡充電68
2.5.4安全管理/故障診斷72
2.5.5熱管理72
2.6電池製造和測試過程72
2.6.1製造過程73
2.6.2測試流程74
2.7結語76
縮略語77
問題77
參考文獻78

第3章被動式熱管理系統中相變材料的使用81
3.1引言81
3.2相變材料的基本特性和類型81
3.2.1有機PCM86
3.2.2無機化合物PCM89
3.2.3共晶化合物PCM90
3.3相變材料熱物性參數的測量92
3.4增強傳熱能力93
3.5相變材料的成本和環境影響96
3.6相變材料的應用97
3.7案例1:使用PCM的EV電池包換熱器設計與優化100
3.7.1系統描述及參數設置100
3.7.2潛熱熱能儲存系統的設計和優化104
3.8案例2：強制對流作用下球形殼體中石蠟的熔化與凝固112
3.8.1數值模型驗證和模型獨立性測試115
3.8.2性能指標117
3.8.3結果和討論119
3.9結語125
術語125
希臘字母126
下標126
縮略語127
問題127
參考文獻128

第4章電池熱管理系統的仿真及試驗研究130
4.1引言130
4.2電芯和模組的數值模型開發130
4.2.1PCM應用數值研究的物理模型131
4.2.2初始條件、邊界及模型假設131
4.2.3材料特性和模型輸入參數133
4.2.4控制方程和本構定律138
4.2.5模擬模型的開發140
4.3電芯和模組級別的實驗搭建和過程141
4.3.1電芯和模組儀表化141
4.3.2換熱器的儀表化143
4.3.3相變材料和納米顆粒混合物的製備144
4.3.4改善顆粒的表面排列147
4.3.5測試台架搭建147
4.4整車級試驗搭建及流程149
4.4.1建立數據採集硬件149
4.4.2建立數據採集軟件152
4.5舉例說明:基於相變材料的液式電池熱管理系統仿真和實驗155
4.5.1電芯級的模擬與實驗156
4.5.2模組中電芯之間的模擬和實驗168
4.5.3模組級的模擬和實驗173
4.5.4光學觀測184
4.5.5整車級試驗195
4.5.6案例研究結論205
4.6結語206
術語207
希臘字母207
下標208
縮略語208
問題208
參考文獻209

第5章電池熱管理系統的能量分析和分析210
5.1引言210
5.2熱管理系統對比211
5.2.1熱力學分析212
5.2.2電池傳熱分析215
5.3熱管理系統關鍵零部件建模217
5.3.1壓縮機219
5.3.2熱交換器219
5.3.3熱力膨脹閥221
5.3.4電池222
5.3.5系統參數222
5.4能量和分析223
5.4.1傳統分析224
5.4.2強化分析228
5.5舉例說明:液冷電池熱管理系統230
5.6案例研究:基於跨臨界CO2的電動汽車電池熱管理系統243
5.6.1引言244
5.6.2系統開發244
5.6.3熱力學分析247
5.6.4結果與討論248
5.6.5結語252
5.7結語253
術語253
希臘字母254
下標254
縮略語255
問題255
參考文獻256

第6章電池熱管理系統(TMS)的成本、環境影響和多目標優化258
6.1引言258
6.2經濟性分析259
6.2.1成本平衡方程259
6.2.2設備採購成本的相關性260
6.2.3成本核算261
6.2.4經濟性評價263
6.2.5增強的經濟性分析264
6.2.6環境經濟性（環境成本）分析264
6.3環境分析265
6.3.1環境影響平衡方程265
6.3.2環境影響的相關性266
6.3.3蓄電池的生命 週期評價267
6.3.4環境影響核算268
6.3.5環境評價270
6.4優化方法271
6.4.1目標函數271
6.4.2決策變量和約束272
6.4.3遺傳算法273
6.5舉例說明：液冷電池熱管理系統275
6.5.1常規經濟性分析結果275
6.5.2增強的經濟分析結果278
6.5.3電池的環境影響評估283
6.5.4環境分析結果285
6.5.5多目標優化結果288
6.6結語293
術語293
希臘字母294
下標294
縮略語295
問題295
參考文獻296

第7章案例研究297
7.1引言297
7.2案例研究1： 傳統汽車、混合動力、電動汽車以及氫燃料車輛在經濟與環境方面的比較297
7.2.1引言297
7.2.2分析298
7.2.3結論和討論302
7.2.4結語305
7.3案例研究2：方形電池溫度分佈實驗和理論研究305
7.3.1引言305
7.3.2系統描述306
7.3.3分析307
7.3.4結果及討論309
7.3.5結語315
7.4案例研究3：基於充放電循環的電動汽車鋰離子電池熱管理方案315
7.4.1引言315
7.4.2系統描述316
7.4.3分析317
7.4.4結果和討論328
7.4.5結語337
7.5案例研究4：基於相變材料的電動汽車動力電池熱管理337
7.5.1引言337
7.5.2系統描述338
7.5.3分析340
7.5.4結果及討論342
7.5.5結語350
7.6案例研究5:新型相變材料的熱應用實驗與理論研究351
7.6.1引言351
7.6.2系統描述351
7.6.3 分析359
7.6.4結果及討論367
7.6.5結語377
術語378
希臘字母380
下標380
縮略語381
參考文獻382


第8章替代技術與展望385
8.1引言385
8.2突出挑戰385
8.2.1消費者感知385
8.2.2社會技術因素387
8.2.3自我強化過程388
8.3新興電動汽車技術及發展趨勢390
8.3.1主動道路390
8.3.2V2X與智能電網391
8.3.3換電技術392
8.3.4電池二次使用394
8.4未來電池熱管理技術395
8.4.1熱電材料396
8.4.2磁冷卻396
8.4.3壓電風扇/雙冷卻射流397
8.4.4其他潛在的電池熱管理系統398
8.5結語399
縮略語399
問題399
參考文獻400