《動(dòng)力電池熱管理技術(shù)及關(guān)鍵材料》一書(shū)重點(diǎn)介紹了動(dòng)力電池熱管理技術(shù)的策略和方法,具體圍繞動(dòng)力電池熱管理的基本情況、動(dòng)力電池熱-電化學(xué)特性、動(dòng)力電池量熱方法及測試設備、動(dòng)力電池風(fēng)冷系統、動(dòng)力電池液冷系統、相變冷卻技術(shù)及材料、電池低溫加熱技術(shù)和材料、電池熱安全中的傳感器技術(shù)、多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)與方法、熱管理及隔熱防護材料、熱管理系統中的換熱器組件、整車(chē)熱管理運行...
全球環(huán)境污染、能源短缺和氣候變化問(wèn)題日益加劇,這關(guān)乎著(zhù)人類(lèi)社會(huì )的可持續發(fā)展。我國能源結構調整和可再生能源發(fā)電占比的大幅度提升是實(shí)現“雙碳”目標的重要路徑,同時(shí)將無(wú)可置疑地發(fā)揮出電動(dòng)汽車(chē)所具備的環(huán)境友好、節能減排等優(yōu)勢。近幾年來(lái),我國電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量呈現爆發(fā)式的增長(cháng),新能源汽車(chē)市場(chǎng)滲透率已經(jīng)超過(guò)了四分之一,2030年有望超過(guò)二分之一。然而,考慮到電動(dòng)汽車(chē)最本質(zhì)的技術(shù)特征和各類(lèi)電動(dòng)車(chē)輛復雜的運行工況,目前的電動(dòng)汽車(chē)仍然存在一些重大瓶頸問(wèn)題需要盡快解決,比如安全性差、續駛里程短、充電慢、低溫啟動(dòng)困難、造價(jià)及運維成本高等。其中,安全性是國內外廣泛研究和關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。 動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)的核心部件,其熱安全性能直接影響整車(chē)安全運行。隨著(zhù)MTP(module to pack)、CTP(cell to pack)和CTC(cell to chassis)技術(shù)以及高壓快充等新技術(shù)的出現,熱安全成為現實(shí)的挑戰。實(shí)現動(dòng)力電池的低溫加熱、控制充電時(shí)溫度快速升高并始終保持良好的溫度一致性是實(shí)現電池安全的重要技術(shù)路徑,這正需要本書(shū)重點(diǎn)涉及的動(dòng)力電池的熱管理技術(shù)策略和方法。 動(dòng)力電池體系是高度關(guān)聯(lián)的電化學(xué)、熱學(xué)、機械、電學(xué)的耦合體系,動(dòng)力電池的熱管理技術(shù)同樣需要跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)的知識和方法。本書(shū)共13章。第1章概論部分對高效熱管理系統的功能、實(shí)現方法、性能要求以及熱管理和熱安全領(lǐng)域的技術(shù)標準進(jìn)行了簡(jiǎn)要歸納和總結。第2章介紹了動(dòng)力電池熱-電化學(xué)特性。動(dòng)力電池的電化學(xué)特性、產(chǎn)熱行為、傳熱的邊界條件及傳熱效果等問(wèn)題是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的跨學(xué)科問(wèn)題,不能采用單一的、割裂開(kāi)來(lái)的研究方法?;诖苏J識,業(yè)界需要做出的最重要、簡(jiǎn)單的認知轉變是,不能把電池簡(jiǎn)化為內熱元的傳熱學(xué)問(wèn)題。為做好電池熱管理工作,動(dòng)力電池的基本電化學(xué)性能參數(電壓、電流、容量、比容量、能量以及比能量)及其測量計算方法是基礎性的工作;而溫度對電池性能的影響規律和機理、電池的產(chǎn)熱機理及產(chǎn)熱量的計算方法是電池熱管理中的重要科學(xué)問(wèn)題。對于不同電化學(xué)體系構成的已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化的動(dòng)力鋰電池及新型電池(鈉離子電池、固態(tài)電池)的產(chǎn)熱行為及電化學(xué)特性的交互關(guān)系研究和描述是豐富多彩的知識貢獻。第3章對電芯量熱測試設備和相應的測試方法進(jìn)行了介紹。電池產(chǎn)熱測量?jì)x器的原理、功能特征、技術(shù)參數和測試案例的介紹,希望能對熱設計工程師和研究者具有幫助作用。 第4~6章系統介紹了風(fēng)冷、液冷和相變材料冷卻基本原理、結構分類(lèi)及工程應用案例。第7章介紹了電池低溫加熱技術(shù)和材料。第8章介紹了電池熱管理中涉及的傳感技術(shù)。 近年來(lái),動(dòng)力電池仿真技術(shù)在電池參數計算和性能預測方面得到了廣泛應用。作為一個(gè)多尺度和多物理場(chǎng)共存的系統,鋰離子電池的性能表現與多種物理/化學(xué)過(guò)程相關(guān),致使其仿真模擬被進(jìn)一步復雜化。因此,基于多物理場(chǎng)耦合構建高效精確的鋰離子電池模型對于電池技術(shù)開(kāi)發(fā)和工程應用具有重要意義。第9章介紹了多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)與方法。 第10章的熱管理及隔熱防護材料部分,涉及了整車(chē)電池包熱管理系統中運用到的導熱材料、防火阻燃材料、防水密封材料以及結構支撐材料等。換熱器作為新能源電動(dòng)整車(chē)熱管理系統中的核心組件,其結構設計、制造工藝及質(zhì)量管控水平會(huì )直接影響到熱管理系統的綜合性能,是整車(chē)熱管理系統開(kāi)發(fā)設計中的關(guān)鍵核心技術(shù)。第11章主要從換熱器組件、換熱器制造及典型失效模式方面進(jìn)行了詳細介紹。 整車(chē)行業(yè)技術(shù)迭代速度空前加快,電動(dòng)化和智能化趨勢催生出對熱管理系統的更高要求。新的電子電氣架構使得熱管理系統必須與之適應,包括更多元的管理對象、更精細的控制等,以應對持續革新的產(chǎn)業(yè)鏈。在這種背景下,熱管理系統不僅要保證座艙舒適性,還要提高能效、延長(cháng)續駛里程、保證熱安全、強化散熱、滿(mǎn)足高性能需求等。診斷功能是整車(chē)熱管理功能安全設計的重要組成部分,應能及時(shí)發(fā)現和處理系統故障,保證系統的可靠性和安全性。第12章對整車(chē)熱管理運行及實(shí)踐展開(kāi)了具體描述。為使讀者了解電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統的測試標準和市場(chǎng)趨勢,介紹了特斯拉、比亞迪以及大眾ID車(chē)系的熱管理系統設計思路和性能表現,并列舉了部分品牌之間或車(chē)型之間在不同工況下的測試對比。 第13章對其他動(dòng)力運載工具熱管理系統的特點(diǎn)及熱管理材料進(jìn)行了詳細介紹。 本書(shū)編寫(xiě)人員來(lái)自整車(chē)企業(yè)、電池企業(yè)、熱管理材料企業(yè)、高等院校及測試機構。各章具體分工是:第1~3章由張江云、劉新健、齊創(chuàng )、林春景編寫(xiě);第4~5章由吳偉雄、馬瑞鑫編寫(xiě);第6章由楊曉青、徐涵編寫(xiě);第7章由李孟涵、楊曉青、莫崇茂編寫(xiě);第8章由李新喜、劉俊源編寫(xiě);第9章由呂培召、謝捷凱編寫(xiě);第10章由王婷玉、楊曉青編寫(xiě);第11章由黃新波、呂又付、孫博林、于吉樂(lè )編寫(xiě);第12章由馬書(shū)寒、王曉非、馮朝暉、聶昌達、呂又付、錢(qián)淵清編寫(xiě);第13章由聶昌達、王婷玉、馬書(shū)寒編寫(xiě)。呂培召和孫博林進(jìn)行了統稿和校對工作。最后由張國慶、饒中浩、文玉良、梁銳進(jìn)行定稿。 在編寫(xiě)過(guò)程中,東莞市硅翔絕緣材料有限公司戴智特、廣州暉能新材料有限公司袁江濤、山東魯陽(yáng)節能材料股份有限公司鹿曉琨、杭州仰儀科技有限公司邱文澤、鞏義市泛銳熠輝復合材料有限公司張繼承、廣東海之瀾新材料科技有限公司李振平等提供了各自細分領(lǐng)域的最新的知識。王曉勇、黃艇、馮旭寧、邵丹、蔣立琴審閱和修改了部分章節。在此表示真誠的感謝! 本書(shū)涉及的部分研究?jì)热莺统晒?,許多來(lái)自編委會(huì )成員團隊多年的工作積累,這些工作最早可追溯到2010年,國際銅業(yè)協(xié)會(huì )從此開(kāi)始了對我們長(cháng)達12年的持續支持和厚愛(ài)。感謝科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委、廣東省發(fā)展改革委、廣東省科學(xué)技術(shù)廳、江蘇省科學(xué)技術(shù)廳等對我們在電池熱管理和熱安全研究方向的持續支持。真誠感謝化學(xué)工業(yè)出版社編輯及相關(guān)人員在本書(shū)出版過(guò)程中付出的辛勤勞動(dòng)。 盡管我們初心很完美,希望有能力使該書(shū)達到高的質(zhì)量,但由于本書(shū)涉及跨學(xué)科領(lǐng)域的知識和技術(shù)很多,而我們自身的知識和能力有限,本書(shū)很多最新資料收集總結還不夠完善,特別是對實(shí)際工程經(jīng)驗的總結不夠全面,書(shū)中存在不足和疏漏之處在所難免,敬請有關(guān)專(zhuān)家與廣大讀者不吝賜教。 編者
張國慶,廣東工業(yè)大學(xué)教授,于2022年度獲教書(shū)育人獎。曾主持或參與過(guò)的重點(diǎn)項目包括國家國際科技合作專(zhuān)項(中國和以色列合作項目、中國和日本合作項目)、國家863科技計劃項目、粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破招投標項目、廣東省新能源汽車(chē)重大專(zhuān)項、華為技術(shù)有限公司委托項目及美國國際銅專(zhuān)業(yè)委員會(huì )全球招標項目等50多項。累計發(fā)表論文150余篇,其中SCI論文90余篇。申請專(zhuān)利90余件,其中授權發(fā)明專(zhuān)利40余件。在科學(xué)出版社出版專(zhuān)著(zhù)《電池熱管理》。張國慶教授與多個(gè)知名龍頭企業(yè)(華為、欣旺達、沃特瑪、格力等)開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研深度合作,取得的經(jīng)濟和社會(huì )效益顯著(zhù)。前后共四次榮獲廣東省科學(xué)技術(shù)獎,其中,2020年度獲廣東省科技進(jìn)步獎一等獎。
《動(dòng)力電池熱管理技術(shù)及關(guān)鍵材料》一書(shū)重點(diǎn)介紹了動(dòng)力電池熱管理技術(shù)的策略和方法,具體圍繞動(dòng)力電池熱管理的基本情況、動(dòng)力電池熱-電化學(xué)特性、動(dòng)力電池量熱方法及測試設備、動(dòng)力電池風(fēng)冷系統、動(dòng)力電池液冷系統、相變冷卻技術(shù)及材料、電池低溫加熱技術(shù)和材料、電池熱安全中的傳感器技術(shù)、多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)與方法、熱管理及隔熱防護材料、熱管理系統中的換熱器組件、整車(chē)熱管理運行及實(shí)踐、其他動(dòng)力運載工具等內容展開(kāi),旨在通過(guò)跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)的知識和方法剖析熱管理技術(shù),為實(shí)現動(dòng)力電池安全性提供理論與技術(shù)支持。 本書(shū)注重理論聯(lián)系實(shí)際,充實(shí)理論,加強應用,不僅可作為高等學(xué)校能源與動(dòng)力工程、新能源科學(xué)與工程、儲能科學(xué)與工程、材料工程等專(zhuān)業(yè)的教材,還可作為動(dòng)力電池、新能源汽車(chē)等相關(guān)行業(yè)的工程技術(shù)人員、科研人員和管理人員的參考書(shū)。
第1章 概論 001 1.1 動(dòng)力電池熱管理的必要性 001 1.1.1 電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的必然性 001 1.1.2 電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展面臨的技術(shù)瓶頸 001 1.1.3 動(dòng)力電池熱管理技術(shù) 002 1.2 動(dòng)力電池熱管理功能要求 004 1.3 動(dòng)力電池熱管理技術(shù)分類(lèi) 005 1.3.1 以空氣為介質(zhì)的電池熱管理系統 005 1.3.2 以液體為介質(zhì)的電池熱管理系統 005 1.3.3 以相變材料為介質(zhì)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(guān)鍵材料 008 1.5 涉及的傳感器技術(shù) 009 參考文獻 010 第2章 動(dòng)力電池熱-電化學(xué)特性 011 2.1 動(dòng)力電池的電化學(xué)特性 011 2.1.1 動(dòng)力電池基礎電化學(xué)性能參數 011 2.1.2 動(dòng)力電池性能衰退機理及影響因素分析 014 2.2 動(dòng)力電池產(chǎn)熱特性 017 2.2.1 溫度對電池產(chǎn)熱的影響 017 2.2.2 動(dòng)力電池產(chǎn)熱量來(lái)源 019 2.3 動(dòng)力電池熱-電化學(xué)特性關(guān)聯(lián)性 020 2.3.1 熱-電化學(xué)特性交互關(guān)系理論基礎 020 2.3.2 磷酸鐵鋰電池熱-電化學(xué)特性關(guān)聯(lián)性 021 2.3.3 三元系動(dòng)力鋰電池熱-電化學(xué)特性關(guān)聯(lián)性 026 2.3.4 新型動(dòng)力電池熱-電化學(xué)特性關(guān)聯(lián)性 032 2.4 超級電容器熱-電化學(xué)特性 034 2.4.1 超級電容器簡(jiǎn)介 035 2.4.2 超級電容器產(chǎn)熱 036 2.4.3 超級電容器熱-電化學(xué)特性 039 參考文獻 042 第3章 動(dòng)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(dòng)力電池風(fēng)冷系統 061 4.1 風(fēng)冷系統分類(lèi)與應用 061 4.1.1 被動(dòng)/主動(dòng)式風(fēng)冷系統 061 4.1.2 串行/并行式風(fēng)冷系統 062 4.2 風(fēng)冷系統前沿研究現狀 063 4.2.1 電池布局方式 063 4.2.2 設置擾流結構 063 4.2.3 優(yōu)化流道形狀 064 4.2.4 風(fēng)冷耦合方式 066 4.3 風(fēng)冷創(chuàng )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(yōu)化 069 參考文獻 073 第5章 動(dòng)力電池液冷系統 075 5.1 液冷系統分類(lèi)與應用 075 5.1.1 被動(dòng)式與主動(dòng)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(zhì)簡(jiǎn)介 077 5.2 板式液冷系統 077 5.2.1 液冷板類(lèi)型 077 5.2.2 板式液冷放置形式 078 5.2.3 板式液冷進(jìn)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(huán)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 制冷劑物性參數 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(méi)式冷卻系統 088 5.5.1 浸沒(méi)工質(zhì) 088 5.5.2 單相流體 092 5.5.3 多相流體 092 5.5.4 浸沒(méi)式設計示例 093 5.6 工程實(shí)例 095 參考文獻 096 第6章 相變冷卻技術(shù)及材料 099 6.1 相變材料簡(jiǎn)介 099 6.2 相變材料的分類(lèi) 100 6.2.1 以相變形式分類(lèi) 100 6.2.2 以相變溫度范圍分類(lèi) 100 6.2.3 以材料成分分類(lèi) 101 6.3 定形相變材料制備方法 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 相變材料電池熱管理技術(shù) 105 6.4.1 增強復合相變材料的導熱性能 106 6.4.2 增強復合相變材料的電絕緣性能 107 6.4.3 增強復合相變材料的力學(xué)性能 107 6.4.4 增強復合相變材料的阻燃性能 108 6.5 相變材料耦合二次散熱技術(shù) 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 技術(shù)耦合存在的問(wèn)題 111 參考文獻 112 第7章 電池低溫加熱技術(shù)和材料 114 7.1 低溫加熱技術(shù) 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 其他外部加熱技術(shù) 120 7.2.7 外部加熱技術(shù)總結 123 7.3 內部加熱 123 7.3.1 內部自加熱 124 7.3.2 相互脈沖加熱 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 內部加熱技術(shù)總結 128 7.4 電池加熱系統的材料應用 129 參考文獻 131 第8章 電池熱安全中的傳感器技術(shù) 134 8.1 電池管理系統中的傳感器技術(shù) 134 8.2 電池安全性能傳感器技術(shù) 135 8.2.1 電流傳感器技術(shù) 135 8.2.2 電壓傳感器技術(shù) 137 8.2.3 溫度傳感器技術(shù) 138 8.2.4 濕度傳感器技術(shù) 139 8.2.5 應力應變傳感器技術(shù) 141 8.3 電池安全預警傳感器技術(shù) 143 8.3.1 氣壓傳感器技術(shù) 143 8.3.2 多類(lèi)氣體傳感器技術(shù) 143 參考文獻 147 第9章 多物理場(chǎng)耦合仿真技術(shù)與方法 149 9.1 仿真技術(shù)與仿真軟件 149 9.1.1 動(dòng)力電池仿真技術(shù) 149 9.1.2 商用仿真軟件 ANSYS 和 COMSOL 150 9.2 共軛傳熱與流動(dòng)模型介紹 151 9.2.1 共軛傳熱簡(jiǎn)介 151 9.2.2 共軛傳熱應用 151 9.2.3 流體流動(dòng)模型 151 9.3 動(dòng)力電池熱-電化學(xué)模型介紹 153 9.3.1 電池產(chǎn)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(dòng)式電池熱管理模擬 163 9.5.1 基于強制風(fēng)冷的熱管理系統模擬案例 163 9.5.2 基于液體冷卻的熱管理系統模擬案例 169 9.5.3 混合式電池熱管理系統模擬案例 173 9.6 被動(dòng)式電池熱管理模擬 184 9.6.1 相變傳熱與熔化凝固理論 184 9.6.2 基于相變材料的模擬案例 187 9.6.3 基于熱管的電池熱管理案例 193 9.7 電池熱失控模擬與結構優(yōu)化設計 199 9.7.1 電池熱失控模擬 199 9.7.2 結構優(yōu)化設計 201 參考文獻 208 第10章 熱管理及隔熱防護材料 212 10.1 整車(chē)電池包熱管理材料 212 10.1.1 導熱材料 212 10.1.2 密封材料 215 10.1.3 結構支撐材料 216 10.2 電池災害防護材料 217 10.2.1 防火阻燃材料 217 10.2.2 電池滅火材料 218 10.2.3 隔熱防護材料——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(lèi) 226 11.1.2 結構設計 228 11.1.3 換熱效率 234 11.2 換熱器制造 236 11.2.1 工藝流程 236 11.2.2 質(zhì)量控制 240 11.3 典型失效模式 242 11.3.1 主板開(kāi)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(chē)熱管理運行及實(shí)踐 246 12.1 整車(chē)熱管理的戰略意義與發(fā)展前景 246 12.1.1 戰略意義 246 12.1.2 整車(chē)熱管理系統的研究范圍與研究目標 248 12.1.3 整車(chē)熱管理系統的主要對象與關(guān)鍵技術(shù) 249 12.2 整車(chē)熱管理的控制理念與分類(lèi) 250 12.2.1 熱管理系統的控制理念 250 12.2.2 整車(chē)熱管理系統的分類(lèi) 253 12.3 熱管理系統的功能安全設計 259 12.3.1 診斷功能設計 259 12.3.2 零部件故障診斷 259 12.3.3 制冷系統診斷策略 262 12.3.4 故障出現后的處理 262 12.3.5 例程控制(0x31routine) 263 12.4 熱管理的典型工況與案例分析 264 12.4.1 熱管理系統的典型工況 264 12.4.2 經(jīng)典案例分析 268 第13章 其他動(dòng)力運載工具 275 13.1 飛行汽車(chē) 275 13.1.1 飛行汽車(chē)的分類(lèi) 275 13.1.2 飛行汽車(chē)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題和核心技術(shù) 276 13.1.3 動(dòng)力電池熱管理技術(shù)在飛行汽車(chē)上的應用 277 13.1.4 飛行汽車(chē)的發(fā)展前景 278 13.2 電動(dòng)船舶 278 13.2.1 電動(dòng)船舶結構 279 13.2.2 電動(dòng)船舶電池系統及安裝規范 280 13.2.3 動(dòng)力電池熱管理技術(shù)在電動(dòng)船舶上的應用 281 13.2.4 電動(dòng)船舶發(fā)展前景與展望 283 13.3 電動(dòng)無(wú)人機 283 13.3.1 無(wú)人機能源控制系統 285 13.3.2 電池熱管理系統 287 參考文獻 290 附錄 292
ISBN:978-7-122-44785-2
語(yǔ)種:漢文
開(kāi)本:16
出版時(shí)間:2024-06-01
裝幀:平
頁(yè)數:298