无人机用锂离子电池散热设计

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1、无人机用锂离子电池散热设计(申请清华大学工程硕士专业学位论文)培养单位：材料学院工程领域：材料工程申请人：杨菁国指导教师：康飞宇教授联合指导教师：王晨高级工程师二○一七年五月ThermalDesignofLithium-IonBatteriesforUnmannedAerialVehiclesThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfortheprofessionaldegreeofMasterofEngineeringb

2、yYangJingguo(MaterialEngineering)ThesisSupervisor:ProfessorKangFeiyuAssociateSupervisor:SeniorEngineerWangChenMay,2017摘要摘要近年来，随着新能源技术的发展，无人机电动化成为无人机领域的研究重点。锂离子电池由于具有比能量密度和比功率密度高、循环寿命长等优点已经广泛应用在微型电动无人机上。但是，无人机对功率需求较高，在起飞降落、悬停、加速减速等工况下，锂离子电池需要大倍率放电，放电过程释放出大量热量造成电池升温

3、，而高温会严重影响电池性能、寿命和安全。同时，无人机结构紧凑，对能量和重量非常敏感，常用的风扇散热、水冷散热等方法难以直接应用。因此有必要对无人机用锂离子电池进行针对性的散热设计，以提高无人机的稳定性。经过分析，本文提出了一种热管传热、机身储热的散热方案，试图通过高导热热管将电池热量传导到大面积机身上，利用机身的比热容吸热来降低电池温度。在一款微型电动四旋翼无人机应用此散热方案，从热参数测量、热设计、仿真优化三个方面进行了系统性的散热设计，并且对散热结构进行了结构优化。获得准确的热参数是散热设计的基础和准确仿真的前提。针对

4、锂离子电池复杂的电池生热和传热过程，本文采用了适当的简化模型，选取了对应的等效生热率和等效传热参数来表征电池热行为。然后，采用实验和参数拟合相结合的方法进行了参数测量，并评价了参数的准确性。利用测量得到的热参数，建立了无人机锂离子电池散热系统模型。针对该散热结构布局，主要研究了以下三个方面：其一，散热系统在1C、3C、5C放电三种工况下的散热效果，结果表明，该散热系统能够显著降低电池温度，3C工况下，电池最高温度不超过45℃；其二，机身材料热导率对散热的影响，结果表明，机身为低导热材料时，其热容吸热也能够达到散热效果；其三

5、，均热片对散热的作用，结果表明，均热片能够降低热管和机身、电池的热阻，对散热起到关键作用。基于建立的热模型，本文对散热系统进行了结构优化。通过分析，选取了对散热设计重量和电池温升影响较大的5个散热片几何尺寸为设计变量。然后基于代理模型，利用遗传算法对结构进行质量、温度双目标优化。结果表明，重108g的散热系统，能够使锂离子电池温度不超过40℃。关键词：无人机；锂离子电池；散热设计；参数测量；仿真优化IAbstractAbstractInrecentyears,withthedevelopmentofnewenergytec

6、hnology,electric-poweredunmannedaerialvehicles(UAVs)becomearesearchfocusinthefieldofUAVs.Duetohighspecificenergydensityandhighpowerdensity,longcyclelife,lithiumionbatterieshavebeenwidelyusedinmicroelectric-poweredUAVs.PowerdemandoftheUAVinconditionssuchastake-off,

7、workingandlandingishigh,solithiumionbatteriesshoulddischargeatahigherratereleasinglargeamountofheat.Hightemperaturewillseriouslyaffectbattery’sperformance,lifeandsafety.Atthesametime,theUAVhavecompactandperformancesensitivetoweightandenergy.Commonlyusedfancooling,

8、watercoolingmethodscan’tbeapplieddirectly.ToimprovethestabilityoftheUAVs,itisnecessarytodesignspecialthermalmanagementsystemforlithiumionbatteriesofUAVs