【正文】 在仿真分析中，考慮到相鄰電池溫度一般相差很小，傳遞的熱 量也很小，對電池溫度分布影響所起的作用不大，而且設(shè)為傳熱面會大大增加計算量，因此這些面也設(shè)為絕熱面。在電池組的結(jié)構(gòu)中，電池左右兩側(cè)面完全處于流道之外，因此橫向的 凸 條可以簡化。 因此在仿真分析中，只對其中一部分進行研究，以減少運算量。 圖 電池組合形式示意圖 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化 23 圖 電池 箱 外形 電池間的風(fēng)道和外部擋板一起形成了完整的散熱風(fēng)道，電池組前 面 板的下部和后 面 板的上部分別為出風(fēng)口和進風(fēng)口。與液體冷卻和相變材料冷卻兩種方式相比，空氣冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，易于實現(xiàn)。電池總共由 120 個電池單元組成，單元由外殼包裹。 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化 20 表 電池單體內(nèi)阻值（ mΩ） 溫度 (℃ ) SOC(%) 10 5 20 35 50 100 80 60 40 20 0 典型鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)，如 圖 所示。 RiUOUO C V++ 圖 HPPC電池等效電路 表 為通過試驗測得的電池內(nèi)阻值，內(nèi)阻為極化內(nèi)阻與歐姆內(nèi)阻之和。 3） 焦耳熱 焦耳熱是由于電池存在歐姆內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量，計算公式為： 2JeQ I R? （ 210） 式中， I 為電池充放電電流， Re 為歐姆內(nèi)阻。 圖 電池 單體 外形及尺寸 圖 電池單體三維模型 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化 18 依據(jù)廠商提供的參數(shù)和電池性能實驗，電池部分參數(shù)如 表 所示。 根據(jù)廠商提供的電池工作參數(shù)，結(jié)合電池的工作條件，本文確定熱管理系統(tǒng)設(shè)計的兩個目標： 1）在 1C 充放電電流下 ，電池溫度不高于 50℃； 2）保證電池溫度一致性，單體間溫差不超過 ℃。 FLUENT 能夠分析 流體 流動 、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等 問題 ，數(shù)值計算方法先進，能夠仿真多種物理模型 ，廣泛 應(yīng)用 于汽車、航空航天、渦輪設(shè)計等領(lǐng)域。計算流體力學(xué)的核心內(nèi)容是流場數(shù)值模擬 ，它以計算機為 工具 ，通過 數(shù)值 計算 再現(xiàn)研究對象 狀態(tài)變化 及其內(nèi)在規(guī)律 ，并 以數(shù)據(jù)和圖像 的形式 對研究結(jié)果進行 顯示。 工程上的傳熱問題可以歸納為三種類型 [51]： 1） 強化傳熱，即在一定 的溫差 下 加強熱量的傳遞 ； 2）削弱傳熱，即在一定的溫差下 減弱熱量 的 傳遞 ； 3）溫度控制， 通過控制熱量傳遞， 使 目標溫度保持在合理的溫度范圍內(nèi) 。 電池 的 傳熱方式 熱傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射。在此基礎(chǔ)上 完成熱管理系統(tǒng)的 CFD 仿真。 在前期研究基礎(chǔ)上，完成了電池系統(tǒng)的集成，研究了系統(tǒng)集成的關(guān)鍵技術(shù)。 首先通過理論分析和實驗研究，建立了電池的三維熱模型。 第 1 章 引言 11 (a) 串流式 (b) 并流式 圖 串 流 式冷卻和并 流 式冷卻 結(jié)構(gòu) 示意圖 相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中 的應(yīng)用最早由 Hallaj S A 等人提出 [49]。 如 圖 所示， 串流式 冷卻結(jié)構(gòu) 中 空 氣從 電池箱一端流入 ，從另一端流出， 每個電池表面流過的空氣流量都是相同的 ；并流式 冷卻結(jié)構(gòu) 中進 入電池箱的空氣 被 分為幾股，通過電池側(cè)面的流道對電池進行冷卻，之后匯聚到出風(fēng)口處排出 電池箱外。根據(jù)實際情況，有時候為了實現(xiàn)更好的散熱效果，不單采用一種冷卻方式，而是同時采用幾種冷卻方式 [47]。 建立模型時考慮了電池內(nèi)部可能存在的各種生熱反應(yīng)，仿真電池發(fā)生熱失控時的情形。 電化學(xué) 熱耦合 模型 一般假設(shè)電池內(nèi)部電流分布是均勻的， 通常用于研究工作時電池內(nèi)部溫度分布情況 。 集中質(zhì)量模型是一種最簡單的模型， 它 將電池看作一個質(zhì)點，通常用于研究電池的整體性能 和平均溫度分布 。 汽車上空間狹小，通常 電池組中大量的電池單體緊密的排布在一起，聚集的熱量難以排出，長時間工作時電池溫度可能超出正常范圍。該系統(tǒng)還實現(xiàn)了 SOC 估算、絕緣監(jiān)測、接口狀態(tài)檢測等功能。 2） BADICHEQ 和 BADICOACH 電池管理系統(tǒng) [22] BADICHEQ 電池管理系統(tǒng) 于 1991 年完成裝車試驗，該系統(tǒng) 能夠同時對20 個單體的電壓、溫度和電流進行測量；可以根據(jù)電池狀況對充電電流進行合理控制，并通過小型充電機對單體電池 進行均衡充電；可以保存電池狀第 1 章 引言 8 態(tài)信息并在汽車儀表上顯示。 隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，電池 組 集成 技術(shù)已成為新興的研究熱點 。 2022 年 5 月 12 日，美國國家交通安全管理局對 通用 沃藍達電動汽車進行了碰撞測試，測試之后 停放在停車場的被測車輛于三周后突然著火 ； 11 月底，美國國家交通安全管理局 對 三輛沃藍達電動車 進行測試，其中兩部再度起火。 鋰離子電池 工作時 鋰離子在正負極間不斷嵌入和脫嵌 ， 從而實現(xiàn)充放電 。 鋰電池的安全問題一直沒有得到很好的解決，最終被鋰離子電池取代 。 汽車與人接觸緊密，車用電池的安全性直接關(guān)系到乘員的人身安全。 4） 良好的 一致性。汽車作為交通運輸 工具 ， 工作環(huán)境復(fù)雜多變，要求電池能適應(yīng)各種惡劣的工作環(huán)境 。這幾種電池的主要性能對比參見 表 [9,10]。從 1990年到 2022 年，電池的能量密度提升了 倍 [8]。 歐盟高度重視溫室氣體排放問題，制定了限制 CO2 排放協(xié)議，并 與 歐洲主要汽車廠商協(xié)商 制定 進一步降低 汽車 CO2 排放量 的 法規(guī)。 近年來中國汽車保有量持續(xù)快速增長， 2022 年，中國汽車銷售量超過 1850 萬輛，刷新了世界歷史記錄 [2]。 據(jù)此結(jié)果， 對仿真模型進行改進 ， 改進 后 模型 精度得到了 明顯 提高，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果實現(xiàn)了較好的吻合。 進一步仿真分析結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法 對于調(diào)節(jié)并流式空氣冷卻系統(tǒng) 的 溫度分布效果顯著。電池組集成技術(shù)對于解決這些問題具有重要意義。 （保密的論文在解密后遵守此規(guī)定） 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日 期： 日 期： 摘 要 I 摘 要 發(fā)展電動汽車 技術(shù) 是解決能源、環(huán)境問題的重要途徑之一。之后 基于計算流體動力學(xué)，建立 了熱管理 系統(tǒng)的仿真模型， 在 FLUENT 軟件中進行了仿真研究 。 最后 針對電池管理系統(tǒng)人工標定效率低下的問題，提出了 一種 自動標定的方案，提高了標定效率。 Battery Thermal Management System 目 錄 IV 目 錄 第 1 章 引言 ....................................................................................................... 1 課題背景及意義 ...................................................................................... 1 車用電池技術(shù) .......................................................................................... 2 電池技術(shù)發(fā)展概述 ............................................................................. 2 電動汽車對電池 性能的要求 ............................................................. 3 鋰離子電池簡介 ...................................................................................... 4 鋰離子電池發(fā)展概述 ......................................................................... 4 鋰離子電池工作原理 ......................................................................... 5 車用鋰離子電池組集成技術(shù) .................................................................. 6 車用鋰離子 電池組集成技術(shù)簡介 ..................................................... 6 電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 ..................................................................... 7 電池組熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 ............................................................. 8 本文的研究 內(nèi)容 .................................................................................... 11 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化 ......................................... 13 電 池組熱管理的理論基礎(chǔ)及研究方法 ................................................ 13 電池的傳熱方式 ............................................................................... 13 計算流體力學(xué)簡介 ........................................................................... 14 電池組熱管理系統(tǒng)建模和仿真分析 .................................................... 16 電池?zé)崮Ｐ偷慕? ........................................................................... 17 電池組機械 結(jié)構(gòu) ............................................................................... 22 仿真模型網(wǎng)格劃分 ........................................................................... 24 仿真分析的計算模型 ....................................................................... 26 仿真結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化 .................................................................... 28 本章小結(jié) ................................................................................................ 36 第 3 章 電池管理系統(tǒng)開發(fā) ............................................................................. 38 電池管理系統(tǒng)的軟硬件開發(fā) ................................................................ 38 電池管理系統(tǒng)硬件開發(fā) ................................................................... 39 電池管理系統(tǒng)軟件開發(fā) ................................................................... 44 電池系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu) ................................................................................ 49 目 錄 V 電池管理系統(tǒng)標定裝 置 ........................................................................ 51 電池管理系統(tǒng)人工標定方法 ........................................................... 51 電池管理系統(tǒng)自動標定裝置 .......