【正文】 時，電池功率密度才可能達到 1kW/kg 或1000kW/m3； 當 電池正常工作時 ， 內(nèi)部 某點的 電流密度 是 時間和空間位置的函數(shù) [4143]。 三維模型能較好的 反映電池 外型參數(shù)和邊界條件對電池 溫度分布的影響，是一種精度較高的模型 。 這些模型 按原理可分為 三類：電化學(xué) 熱耦合模型 、 熱濫用模型和 電 熱耦合模型。 本文將基于研究對象的功能需求，提出電池管理系統(tǒng)的設(shè)計指標，完成電池管理系統(tǒng)的開發(fā)。 清華大學(xué)開發(fā)的“帶故障診斷功能的電池管理系統(tǒng)” [24]采用 一主多從的 分布式拓撲結(jié)構(gòu) 。電池系統(tǒng)由電池模塊（ Battery Pack Module）、電池管理系統(tǒng)和高壓保護裝置組成。電池安全是集成技術(shù)關(guān)注的重點，包括結(jié)構(gòu)安全、熱安全和電安全。 電池 系統(tǒng) 作為電動汽車 的儲能單元， 為了提供驅(qū)動汽車所需的數(shù)百伏高壓，通常需要將數(shù)十到數(shù)百個電池單體串聯(lián)使用。 2022 年 4 月 11 日， 杭州 街頭 一輛 行駛中 的 電動出租車突然發(fā)生自燃，事故發(fā)生后，杭州市立即 停止了所有 新能源出租車 的運營 。 各部分 材料的不同和工藝上的差異使電池有不同的性能 和不同的名稱 。 鋰 電池 括鋰一次電池和鋰二次電池。車用電池 充放電 過程 隨機性較大 ，特別是混合動力電動汽車，因此要求 電池沒有記憶效應(yīng)。汽車作為貨運工具和人員載具，需要較大的驅(qū)動功率 ；汽車在啟動和加速時需要較大牽引力，對電池的瞬時功率要求較高。 電動汽車對電池性能的要求 電池是電動汽車的 關(guān)鍵 部件，電池 的性能 對汽車整體性能影響很大 。 表 為電池發(fā)展史上重要事件，從中我們可以看到電池技術(shù)的發(fā)展軌跡。 電動汽車主要包括 純電動汽車、 混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車[7]。報告指出， 對化石燃料的高度依賴嚴重威脅了美國 經(jīng)濟和國家安全 ， 提高車輛效能可以在短期內(nèi)緩解這 一問題，而發(fā)展電動汽車則是一個戰(zhàn)略性的解決方案。 目前 全球 汽車保有量約為 8 億輛，預(yù)計 2020 年將達到 12 億輛 [1]。 在前期研究 的 基礎(chǔ)上，研究了單體電壓均衡、溫度傳感器布置和結(jié)構(gòu)密封等電池組集成的關(guān)鍵技術(shù)，完成了 電池 系統(tǒng) 的 集成。 針對 仿真結(jié)果反映的電池溫度分布不一致的問題，研究了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法， 并提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。電池是電動汽車的關(guān)鍵組成部分，也是電動汽車的技術(shù)瓶頸。目前車用電池不能完全滿足電動汽車的功能要求，存在使用壽命短、維護成本高、安全性差等問題。這種方案 可以 使電池組內(nèi)單體溫度分布達到較好的一致性 。 研究結(jié)果表明，電池電極部分發(fā)熱嚴重，對電池組溫度分布影響很大。 汽車行業(yè)的發(fā)展加速了 環(huán)境污染和 能源需求 增長 。因此，美國 將 大幅提高對電動汽車領(lǐng)域的投入 。動力電池 是電動汽車的關(guān)鍵部件， 電池技術(shù)在近年 來發(fā)展迅速 。 表 電池發(fā)展史上重要事件 時間 事件 1800 Alessandro Volta 發(fā)明電池 1859 Gaston Plante 發(fā)明可充電的鉛酸電池 1881 第一輛電動汽車問世，采用鉛酸電池供電 1890 鐵鎳電池問世 1899 鎳鎘電池問世 1914 堿性電池問世 1970 鋰一次電池 問世 1991 Sony 可充電鋰離子電池開始商業(yè)化生產(chǎn) 1997 豐田普銳斯 NHW10 上市，使用鎳氫電池供電 1999 可充電鋰聚合物電池開始商業(yè)化生產(chǎn) 鉛酸電池、 鎳氫 電池和鋰離子電池 是目前在電動汽車上應(yīng)用較多的電池類型 。 電動汽車 對電池的性能要求較高 ， 表現(xiàn)在 以下幾個方面： 1） 環(huán)境適應(yīng)性好 。 因此電動汽車的電池需要較高的功率密度。 7）良好的安全性。 鋰 二次電池的研究最早開始于 20 世紀 60~70 年代， 當時主要以金屬鋰作為電池負極材料，這種電池有嚴重的安全隱患 [13]。目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是鋰金屬氧化物，包括鈷酸鋰（ LiCoO2） 、 錳酸鋰（ LiMn2O4） 、磷酸鐵鋰（ LiFePO4） 和 鎳酸鋰（ LiNiO2） 。無獨有偶，同年6 月，河北邢臺市發(fā)生類似的電動汽車自燃事件；同月，青島一輛電動汽車在充電 過程中 突然著火。如何將數(shù)量眾多的電池單體 集成為滿足車用要求的電池組，是電池組集成技術(shù)研究的主要問題。 電 池 系 統(tǒng)電 池 單 體電 池 單 體電 池 單 體其中電池管理系統(tǒng)的主要功能有：單體電壓檢測、電池組電流 測量、高壓斷電保護、過放電報警、剩余電量估計和絕緣監(jiān)測等。子控制單元采集單體電壓和溫度，主控制單元負責系統(tǒng)整體控制，并進行總線電流和電壓采集。 電池組熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 在電動汽車上， 電池經(jīng)常需要進行大電流的充放電，在此過程中會產(chǎn)生大量的熱 量 。 按 照 模型維度 ，熱模型可分為 集中質(zhì)量模型、一維模型、二維模型和三維模型 [32]。 在電池熱管理系統(tǒng)研究中使用較多。 熱濫用模型 主要用于電池安全性研究。 目前常用的電池組冷卻方式很多，按冷卻介質(zhì)不同可以分為三類：空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻。 根據(jù)空氣在電池組內(nèi)流動形式的不同，空氣冷卻還可以分為串流式和并流式 [48]。液體冷卻系統(tǒng)需要很高的密封性，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對裝配精度要求較高。 2）電池組機 械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。 4）系統(tǒng)的實現(xiàn)及實驗研究 。 通過理論分析和電池性能試驗， 對鋰離子電池熱模型展開研究 ， 建立了目標電池的三維熱模型。 本文采用了 理論分析、 CFD 仿真和實驗研究相結(jié)合的方法對電池組熱管理進行研究 。h 是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， Tw 是物體表面溫度 是流體溫度。 隨著計算機技術(shù)的不斷進步，計算流體力學(xué)近年來發(fā)展迅速。 FLUENT 是目前使用較多的 CFD 仿真軟件 。車體空間較小，在有限的空間內(nèi)需要布置電池 、 電池管理系統(tǒng)和其他電氣和機械構(gòu)件，因此要求熱管理系統(tǒng)占用的體積盡可能小。 根據(jù)電池外形參數(shù)， 利用 Pro/E 軟件 建立 的 電池三維模型如 圖 所示。 2）極化熱 極化熱是電池濃差極化、歐姆極化和電化 學(xué)極化產(chǎn)生的熱量之和，計算公式為： 2ppQ I R? （ 29） 式中， I 為電池充放電電流， ??為極化內(nèi)阻。 HPPC 方法將電池等效為理想電壓源與一個電阻的串聯(lián)， 此電阻即為電池內(nèi)阻。由公式（ 211）可以算出，在 1C 電流（ 180A）下，電池的發(fā)熱功率為 44W， 電池單體的體積約為 103m3，故電池 體積 發(fā)熱率為 。 圖 電池內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電池內(nèi)部為很多個薄膜狀電池單元并聯(lián)組成， 每個電池單元包括正極片、負 極片和隔膜等。 電池組機械結(jié)構(gòu) 前文 介紹了 電池熱管理系統(tǒng)常用的散熱方式， 通過比較各種方式的優(yōu)缺點， 本文熱管理系統(tǒng)采用并流式空氣冷卻 的散熱方式 ，主要原因有以下幾點： 1）電池性能試驗結(jié)果表明，該電池發(fā)熱并不嚴重，采用空氣冷卻方式足以保證達到設(shè)計目標。根據(jù)電池排布方式和散熱的需要，設(shè)計了如 圖 所示的 電池箱。由于系統(tǒng)完全對稱，兩部分相鄰電池的接觸面溫度完全一致，不存在熱量傳遞。 如 圖 所示，電池頂部的電極和凹槽等細節(jié)部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但在整個流道中對流體流動的作用很小 ，可以加以簡化，頂部簡化為平面。 在實際情況下，電池之間的接觸面存在著熱傳導(dǎo)，熱量從溫度較高的電池單體傳遞到溫度較低的單體。 仿真分析的計算模型 在 GAMBIT 中完成幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分后，即可將網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入 FLUENT 中。 圖 電池 模型 結(jié)構(gòu)的簡化 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化 25 在 GAMBIT 中可以完成模型的幾何結(jié)構(gòu)如 圖 所示。 電池組分解視圖如 圖 所示。 圖 為電池組內(nèi)部空氣流動示意圖。 2）電池的外形決定了熱管理系統(tǒng)不宜采用串流式冷卻方式。各部分材料導(dǎo)熱系數(shù)如 表 所示。在垂直于層面方向，電池的傳熱需要穿透多層材料，可以 看成 多層材料的串聯(lián)；在平行于層面方向，則可以看做多層材料的并聯(lián)。從表中可以看出，電池內(nèi)阻變化范圍很大。 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化 19 這三類熱量中，反應(yīng)熱是電流的一次函數(shù)，極化熱、焦耳熱是電流的二次函數(shù)。 表 電池部分性能參數(shù) 參數(shù)名稱 參數(shù)值 容量（ Ah） 180 質(zhì)量（ kg） 177。 在仿真分析中，為了減少運算量，在保證仿真計算精度的情況下，對電池模型進行如下假設(shè)： GAM BI T 設(shè)置幾何形狀 生成 2D 或 3D 網(wǎng)格 其它軟件包，如CAD ， CAE 等 F L U ENT 網(wǎng)格輸入及調(diào)整 物理模型 邊界條件 流體物性確定 計算 結(jié)果后處理 T Gr i d 2D 三角網(wǎng)格 3D 四面體網(wǎng)格 2D 和 3D 混合網(wǎng)格 pr ePDF P DF 查表 2D 或 3D 網(wǎng)格 幾何形狀或網(wǎng)格 P DF 程序 網(wǎng)格 邊界和（或）體網(wǎng)格 邊界網(wǎng)格 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化 17 1） 電池 單體的比 熱容為常數(shù)， 電池內(nèi)部各部分 比熱容相同， 電池 單體的溫度變化只與 比 熱容有關(guān)； 2）電池單體內(nèi)部均勻發(fā)熱； 3）忽略電池單體內(nèi)部的對流和熱輻射。 FLUENT 軟件包程序結(jié)構(gòu)如圖 所示。事實上，連續(xù)介質(zhì)的流體運動是一個無限的信息系統(tǒng)，而 計算機 的內(nèi)存和 其所能 表示的數(shù)位都是有限的，數(shù)值模擬只能通過流場中按一定規(guī)律排列的有限 數(shù)量的 點（網(wǎng)格節(jié)點）信息近似表示整個連續(xù)的流場。 電池熱管理系統(tǒng)的目標是控制電池溫度在正常范圍內(nèi)，在電池發(fā)熱嚴重時，加快電池 與冷卻介質(zhì)的熱量傳遞， 使 熱量盡快的 排出 電池組外。 電池工作時， 部分熱量通過表面散發(fā)出去，導(dǎo)致電池表面溫度低，內(nèi)部溫度高，電池體內(nèi)存在熱傳導(dǎo)；而電池表面的 熱主要通過對流散發(fā)到冷卻流質(zhì)中；電池也在不斷通 過熱輻射傳熱。 根據(jù)仿真結(jié)果反映的問題，對機械結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，完成了電池組機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計。為了驗證前期研究結(jié)果，對電池系統(tǒng)進行了實驗研究。之后參考目前常見的散熱方式，確定了熱管理系統(tǒng)的第 1 章 引言 12 基本結(jié)構(gòu)，建立了系統(tǒng)的仿真模型，在 FLUENT 軟件中進行了 CFD 仿真研究。 這種冷卻系統(tǒng) 利用 冷卻材料熔化或氣化過程帶走電池產(chǎn)生的熱量 。 串流式冷卻方式雖然各電池單體空氣流量一致，但是 在 空氣流動過程中 ，吸收電池散發(fā)的熱量，溫度逐漸升高，冷卻能力逐漸下降，一段時間后不同電池單體的溫度出現(xiàn)差異，靠近進風(fēng)口電池單體溫度較低，靠近出風(fēng)口處電池單體溫度較高。 空氣冷卻方式可以分為兩種：自然對流冷卻和強制對流冷卻。 T. D. Hatchard 等 [44]構(gòu)建熱耦合模 型 用于 仿真 溫度箱中 電池的溫度變化情況。主要 從 電化學(xué)反應(yīng)生熱的角度描述電池 的發(fā)熱 。很多研究人員利用集中質(zhì)量模型，研究了電流密度、正負極材料屬性、導(dǎo)熱系數(shù)等因素對電池溫度的影響，取得了一系列研究成果，并發(fā)現(xiàn)：在大電流下電池的不均 勻性影響顯著，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果出現(xiàn)偏差，說明集中質(zhì)量模型不適合研究大電流下電池溫度分布 [3335]。 由于空間位置不同，各電池單體的溫度也存在差異。通過對系統(tǒng)失效方式和嚴重程度的研究， 確定了故障檢測方法和應(yīng)對措施，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了電池管理系統(tǒng)的 OBDII 系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。 BADICOACH 電池管理系統(tǒng)以 BADICHEQ 為基礎(chǔ)，改進了單體電壓測量方法，并能將狀態(tài)較差的電池單體信息顯示出來。電池組集成技術(shù)對于提高電池工作效率、延長使用壽命和提高安全性等方面均具有重要意義。調(diào)查結(jié)果表明，幾起事故均由電動汽車電池或電路系統(tǒng)故障引起 [18]。充電時 Li+從正極 材料上剝離，穿過隔膜移動 到負極，同時 電子 通過 外電路移 動 到負極 并 被 Li+俘獲，保證了負極的電荷平衡。Armand[14]首先提出了用嵌鋰化合物替代金屬鋰作為負極材料的構(gòu)想 。 車用電池的工作環(huán)境決定了它必須 具有以上幾個特點 ，目前車用電池技術(shù)的不足也主要體現(xiàn)在這些方面。為了滿足電動汽車電壓和功率的要求，車用電池通常由數(shù)十到數(shù)百只電池單體串聯(lián)使用，如果一致性較差，各電池 單體 狀態(tài)不一，容易造成個別 單體 過度充電或過度放電，影 響電池的性能和壽命，甚至造成安全 事故 。路況較差時，汽車顛簸嚴重， 道路上通常塵土多，要求電池有良好的抗震性和防塵能力 ； 汽車 經(jīng)常 需要在嚴寒、高溫和 雨雪天氣 行駛 ， 這就 要求電池 能適應(yīng)不同的工作溫度，并 有一定的防水能力 。 第 1 章 引言 3 表 幾種電池性能比較 項目 閥控鉛酸電池 鎳氫電池 鋰離子電池 工作電壓（ V） 2 ~ 質(zhì)量比能量（ W?h/kg） 30~50 60~120 90190 循環(huán)壽命（次） 200300 （ 70%DOD） 500~1800（ 100%DOD） 1000~3000（ 80%DOD） 自放電率（ %/月） 2~10 2~30 1~5 工作溫度（℃） 5~40 20~50 30~60 抗濫用性 好 較好 很差 鉛酸電池由于 技術(shù)成熟， 價