【正文】 .................................................... 52 本章小結(jié) ................................................................................................ 53 第 4 章 電池系統(tǒng)集成及實(shí)驗(yàn)研究 ................................................................. 55 實(shí)驗(yàn)環(huán)境介紹 ........................................................................................ 55 電池性能試驗(yàn) ........................................................................................ 57 開路電壓試驗(yàn) ................................................................................... 57 電池發(fā)熱試驗(yàn) ................................................................................... 58 電池系統(tǒng)集成 ........................................................................................ 59 單體電壓均衡 ................................................................................... 59 電池系統(tǒng)的集成 ............................................................................... 60 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 .................................................................... 62 仿真模型的改進(jìn) .................................................................................... 65 本章小結(jié) ................................................................................................ 70 第 5 章 結(jié)論與展望 ......................................................................................... 72 結(jié)論 ........................................................................................................ 72 未來工作展望 ........................................................................................ 72 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................. 74 致 謝 ................................................................................................................. 79 聲 明 ................................................................................................................. 80 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的 學(xué)術(shù)論文與研究成果 ......................................... 81 主要符號(hào)對(duì)照表 VI 主要符號(hào)對(duì)照表 A 傳熱面積 h 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) L 串聯(lián)材料的厚度 p 流體壓強(qiáng) Pv 發(fā)熱功率 Q 熱流量 Q1 電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)熱量 QJ 焦耳熱 Qp 極化熱 Qr 電池總反應(yīng)熱 Re 電池歐姆內(nèi)阻 Ri 電池總內(nèi)阻 ST 內(nèi)熱源發(fā)熱與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的內(nèi)能之和 t 時(shí)間 T 熱力學(xué)溫度 Tf 流體溫度 Tw 物體表面溫度 V 電壓 V0 冷卻空氣流量 λ 導(dǎo)熱系數(shù) μ 動(dòng)力粘度 ρ 密度 第 1 章 引言 1 第 1章 引言 課題背景及意義 能源短缺、氣候變化和 環(huán)境 污染是 人類社會(huì)發(fā)展中的三大難題，也是汽車行業(yè) 面臨 的巨大挑戰(zhàn)。 報(bào)告提出了美國(guó)中長(zhǎng)期能源目標(biāo)： ① 2022 年 電動(dòng)汽車 數(shù)量達(dá)到 100 萬輛 ；② 2020 年建筑 行業(yè)能耗降低 20%；③ 2025 年 石油進(jìn)口量減少三分之一；④ 2035 年可再生能源發(fā)電量 占 80%；⑤與 2022 年相比， 2020 年溫室氣體排放 量 降低 17%， 2050 年降低 83%[3]。 并 提出 2022 年 純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量 達(dá)到 50萬輛， 2020 年超過 500 萬輛； 2022 年生產(chǎn)的乘用車 百公里油耗降低至 升，到 2020 年降至 升 ；新能源汽車、動(dòng)力電池及關(guān)鍵零部件技術(shù)整體上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平 [6]。 從數(shù)碼產(chǎn)品、汽車到飛機(jī)、航天器，電池已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。鋰離子電池的 特點(diǎn) 使其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域 具有明顯的優(yōu)勢(shì)，并 迅速得到 廣泛 應(yīng)用，被認(rèn)為是電動(dòng)汽車的理想動(dòng)力源。 第 1 章 引言 4 3） 高功率密度。汽車使用時(shí)經(jīng)常會(huì)長(zhǎng)時(shí)間靜置，這就要求電池自放電率低，因?yàn)檫^高的自放電率可能導(dǎo)致汽車靜止時(shí)電池過度放電而損害電池。 鋰在所有金屬中摩爾質(zhì)量最小，質(zhì)量比能量最大，氧化還原電位最低，是一種理想的電池材料。 鋰離子電池工作原理 鋰離子電池主要由正極、負(fù)極、電解質(zhì)及隔膜組成。 車用鋰離子電池組集成技術(shù) 車用鋰離子電池組集成技術(shù)簡(jiǎn)介 隨著電動(dòng)汽車逐步推向市場(chǎng)應(yīng)用，電動(dòng)汽車的安全問題逐漸暴露出來 ，引起人們的廣泛關(guān)注，成為制約電動(dòng)汽車市場(chǎng)推廣的重要因素之一 。除了電池本身的質(zhì)量和加工工藝問題，引起電動(dòng)汽車安全事故的一個(gè)重要原因是電池集成技術(shù)不成熟。機(jī)械結(jié)構(gòu)以電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) （ Battery Thermal Management System, BTMS） 為核心 ，電氣結(jié)構(gòu)以電池管理系統(tǒng)（ Battery Management System, BMS）為核心 。 1） EV1 的電池管理系統(tǒng) [21] 通用公司的 EV1 電動(dòng)汽車由 26 個(gè)鉛酸電池串聯(lián)供電，市區(qū)行駛里程可達(dá) 113 公里。 2022 年國(guó)家 863 計(jì)劃首批研究課題立項(xiàng)，很多高校和汽車企業(yè)成立了項(xiàng)目組進(jìn)行電池管理系統(tǒng)的研究，部分產(chǎn)品已經(jīng)在實(shí)車上應(yīng)用。 近年來，電池 SOH（ StateofHealth, 健康狀態(tài)）和 SOF（ StateofFunction, 功能狀態(tài)）的估 計(jì)吸引了很多研究者的關(guān)注 [2830]，但尚未在成熟的產(chǎn)品上 得到 實(shí)現(xiàn)。 目前鋰離子電池?zé)崮Ｐ?的研究 不斷發(fā)展，研究人員 提出了很多種模型 。研究人員建立了各種電池的二維模型，研究不同散熱情況下電池截面和表面溫度分布，比較了各種散熱方法的優(yōu)劣 [3840]。研究結(jié)果表明， 只有當(dāng)聚合物電解液的薄膜電阻小于 20Ω金慧芳等 [46]建立電池的熱 濫用 模型 ， 并 申請(qǐng)了相關(guān)專 利。強(qiáng)制對(duì)流冷卻是指利用風(fēng)扇 、 蒸發(fā)器等驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)進(jìn)行散熱。常用的冷卻液有水、礦物油、乙二醇水溶液等。主要研究?jī)?nèi)容如 圖 所示，包括以下幾個(gè)部分： 1） 電池性能試驗(yàn)。 之后以保障電池電氣安全為設(shè)計(jì)理念，研究了電池系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)。電池組熱管理系統(tǒng)是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 的核心內(nèi)容 。熱管理的基本方法是利用溫度較低的流質(zhì)流過電池組，吸收熱量并將熱量帶出電池組。 其中， 流體流過 固體 表面時(shí)的熱量傳遞過程， 稱為 對(duì)流換熱。實(shí)驗(yàn)研究方法得到的結(jié)果真實(shí)可信，是發(fā)現(xiàn)流體規(guī)律、檢驗(yàn)理論和為流體機(jī)械設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)的基本手段。因此可以對(duì)控制方程進(jìn)行簡(jiǎn)化。 耦合隱式求解方法占用內(nèi)存較大，但是收斂時(shí)間短；耦合顯式求解方法收斂時(shí)間長(zhǎng)，但是占用內(nèi)存小。 電池 熱 模型的建立 電池外形和尺寸如 圖 所示。 Noboru Sato 等人 的研究成果表明 [58]，鋰離子電池的發(fā)熱可以分為三類：反應(yīng)熱、極化熱和焦耳熱。鋰離子電池內(nèi)阻主要受 溫度和 SOC影響 [56]。因此，在仿真分析時(shí)這一溫度范圍 的電池發(fā)熱量是考察的重點(diǎn)，熱管理系統(tǒng)的散熱能力以此溫度范圍電池發(fā)熱功率為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖 典型鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖 [59] 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 21 為了進(jìn)一步了解電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)一塊報(bào)廢的電池進(jìn)行了拆解，電池結(jié)構(gòu)如 圖 所示。 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 22 至此已完成電池?zé)崮Ｐ偷慕?，該模型為?jiǎn)化的 三維模型，對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電池發(fā)熱狀況和電池外形均進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。 本文確定了如 圖 所示的電池組合方式，電池組由 24 塊電池單體串聯(lián)組成。 整個(gè)電池組可以分為完全 相同的兩部分 ，各包含 12 個(gè)電池單體。 在生成網(wǎng)格之前，在不影響仿真分析精度的情況下，可以對(duì)模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，以提高網(wǎng)格的質(zhì)量，減少運(yùn)算量。 圖 GAMBIT中電池組幾何 模型 圖 模型的網(wǎng)格 劃分 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 26 GAMBIT 中可以對(duì)邊界條件進(jìn)行初步設(shè)置。 求解器和湍流模型的選。 在 GAMBIT 邊界條件設(shè)置中將 12 個(gè)電池單體設(shè)為固體 屬性 ，流體區(qū)域設(shè)為流體 屬性 。 網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接關(guān)系到 FLUENT 仿真的精確度和運(yùn)算速度 ，是仿真分析的關(guān)鍵一步 。冷空氣從左上方進(jìn)氣口進(jìn)入電池組上部通道， 之后 通過豎直方向共 13 個(gè)風(fēng)道 對(duì)電池進(jìn)行冷卻， 進(jìn)入電池組下部通道，最后經(jīng)由出風(fēng)口排出。并且串流式冷卻電池溫度一致性難以保證。加上外殼后，三個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 (m?K)， (m?K)和 (m?K)。ki 為第 i 層材料的導(dǎo)熱系數(shù)， Ai 為第 i 層并聯(lián)材料的截面積， Li 為第 i 層串聯(lián)材料的厚度。 在溫度低于 35℃時(shí)，散熱系統(tǒng)的壓力不大，這一溫度范圍不是熱管理系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。因此，在電流較大時(shí)，可以忽略反應(yīng)熱，電池發(fā)熱量主要由極化熱和焦耳熱組成，即總的發(fā)熱量為： 2tiQ I R? （ 211） i p eR R R?? （ 212） 其中， Qt 電池總發(fā)熱量， Ri 為電池總內(nèi)阻， 即 極化內(nèi)阻與歐姆內(nèi)阻之和。K )） 870 電池?zé)崮Ｐ?建立的重要一步是確定電池的發(fā)熱量。 電池體內(nèi)的溫度分布與實(shí)際情況會(huì)存在差別，但是對(duì)研究電池整體溫度分布影響不大。用戶可以根據(jù)具體的問題和求解精度要求選擇適當(dāng)?shù)那蠼馄鳌?在電池組內(nèi)，冷卻空氣的流動(dòng)速度遠(yuǎn)小于聲速，可視為不可壓縮流體。理論分析的優(yōu)點(diǎn)在于 分析過程直觀 明了，具有普遍適用性。 圖 為一個(gè)一維導(dǎo)熱問題。熱管理系統(tǒng)的目的就是把多余的熱量帶走， 保持電池工作在正常的溫度范圍。 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 13 第 2章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是電池組集成的基礎(chǔ)。 圖 本文主要研究?jī)?nèi)容 3）電池管理系統(tǒng)和電氣機(jī)構(gòu)的開發(fā)。 本文的研究?jī)?nèi)容 電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，提高電池工作效率、延長(zhǎng)電池使用壽命、保障系統(tǒng)安全性是電池組集成技術(shù)研究的主要目的。并流式冷卻結(jié)構(gòu)不同通道中空氣溫度與流量受結(jié)構(gòu)影響較大 ，通過優(yōu)化電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)通常能使電池單體溫度達(dá)到較好的一致性。這種方法簡(jiǎn)單易行 且成本低廉， 但冷卻效率較低。 R. Spotnitz 等第 1 章 引言 10 [45]建立的熱濫用模型耦合了電池內(nèi)多種可能存在的生熱反應(yīng) ， 仿真電池的溫度箱實(shí)驗(yàn) 。 電 熱耦合模型 的建立需要精確了解電池內(nèi)部電流分布情況，根據(jù)電流分布確定電池內(nèi)部溫度分布。 利用一維模型，研究人員研究了相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用 和 極化內(nèi)阻的測(cè)量方法 [36, 37]。 因此，在車用電池組中加入熱管理系統(tǒng)很有必要。 深圳派司德公司生產(chǎn)的 BSB1023 型電池管理系統(tǒng) [26]可以檢測(cè) 410 路單體電壓，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組總電壓、總電流和溫度， 還能實(shí)現(xiàn)單體電壓均衡。該 系統(tǒng)的主要功能有：測(cè)量單體電壓、溫度和電流；過度充電檢測(cè)，防止過度