【文章內(nèi)容簡介】 . Spotnitz等[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)。分析結(jié)果表明粘合劑對電池?zé)崾Э赜绊懖淮?。金慧芳等[46]建立電池的熱濫用模型，并申請了相關(guān)專利。電池?zé)崮Ｐ褪茄芯侩姵責(zé)峁芾硐到y(tǒng)的重要工具，針對不同的電池和熱管理方式，建立適當(dāng)?shù)臒崮Ｐ?，是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)成功開發(fā)的關(guān)鍵。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)實(shí)際情況，有時候?yàn)榱藢?shí)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]?？諝饫鋮s方式可以分為兩種：自然對流冷卻和強(qiáng)制對流冷卻。自然對流冷卻是指不使用任何額外的能量，通常直接利用汽車行駛時形成的自然風(fēng)對電池進(jìn)行冷卻。這種方法簡單易行且成本低廉，但冷卻效率較低。為了獲得較好的散熱效果，通常要求電池的外形和封裝材料經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，以增大散熱面積，并且對電池在汽車上的安裝位置也有要求，影響車體的結(jié)構(gòu)。強(qiáng)制對流冷卻是指利用風(fēng)扇、蒸發(fā)器等驅(qū)動空氣流動進(jìn)行散熱。與自然對流冷卻相比效率更高，對電池外形和電池箱結(jié)構(gòu)要求較低，并且在汽車上布置位置較靈活。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]。，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(jìn)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(jìn)行冷卻，之后匯聚到出風(fēng)口處排出電池箱外。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(jìn)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。相對而言，并流式冷卻結(jié)構(gòu)中流過不同單體的空氣溫度相差較小，電池單體溫度一致性較好。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。由于液體的傳熱系數(shù)比空氣高很多，液體冷卻通常比空氣冷卻效果好。常用的冷卻液有水、礦物油、乙二醇水溶液等。由于液體的粘度高，通常需要較大的泵功率。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。(a) 串流式(b) 并流式 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]。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。相變材料冷卻系統(tǒng)不需要額外的冷卻接口，也不需要對電池間流道進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，但是相變材料的使用大大增加了電池組的重量，同時，為了防止材料泄露，對電池箱的密封性要求較高。 本文的研究內(nèi)容電池是電動汽車的關(guān)鍵部件，提高電池工作效率、延長電池使用壽命、保障系統(tǒng)安全性是電池組集成技術(shù)研究的主要目的。本文基于某180Ah鋰離子電池，開展了電池組集成技術(shù)的研究。，包括以下幾個部分：1）電池性能試驗(yàn)。通過電池性能試驗(yàn)，研究電池性能特性，分析了系統(tǒng)的需求，作為整個研究工作的基礎(chǔ)。2）電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。首先通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，建立了電池的三維熱模型。之后參考目前常見的散熱方式，確定了熱管理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，建立了系統(tǒng)的仿真模型，在FLUENT軟件中進(jìn)行了CFD仿真研究。根據(jù)仿真結(jié)果反映的問題，研究了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，完成了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本文主要研究內(nèi)容3）電池管理系統(tǒng)和電氣機(jī)構(gòu)的開發(fā)。分析了電池管理系統(tǒng)的功能需求，確定了電池管理系統(tǒng)的主控單元和數(shù)據(jù)采集單元的主要功能，開展了電池管理系統(tǒng)軟硬件的研究。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)。最后為了提高標(biāo)定效率，研究了電池管理系統(tǒng)自動標(biāo)定裝置。4）系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)研究。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)。為了驗(yàn)證前期研究結(jié)果，對電池系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中反映的問題，對仿真模型進(jìn)行了優(yōu)化。81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)。機(jī)械結(jié)構(gòu)不僅直接決定了電池的空間排布和固定方式，還涉及電池組熱管理和電氣布置等一系列問題。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。研究電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通常采用理論分析、CFD仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法。通過理論分析和電池性能試驗(yàn)，對鋰離子電池?zé)崮Ｐ驼归_研究，建立了目標(biāo)電池的三維熱模型。在此基礎(chǔ)上完成熱管理系統(tǒng)的CFD仿真。根據(jù)仿真結(jié)果反映的問題，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，完成了電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 電池組熱管理的理論基礎(chǔ)及研究方法電池在工作時會發(fā)熱，當(dāng)熱量累積到一定程度時會導(dǎo)致電池工作溫度過高，影響電池正常工作甚至損害電池。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。根據(jù)熱力學(xué)第二定律可知，熱量會自發(fā)的從溫度較高的物體向溫度較低的物體傳遞。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。因此，研究熱管理的理論基礎(chǔ)是流體力學(xué)和傳熱學(xué)。本文采用了理論分析、CFD仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對電池組熱管理進(jìn)行研究。 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。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。熱傳導(dǎo)是指僅依靠分子、原子、電子等微觀粒子的熱運(yùn)動進(jìn)行的熱量傳遞[50]。對于x方向任意一個厚度為dx的薄層來說，單位時間內(nèi)通過該層的熱量可以用公式計(jì)算： （21） 通過平板的一維導(dǎo)熱對流是指由于流體的流動，引起流體內(nèi)部各部分之間發(fā)生相對位移，不同溫度的流體相互混合引起的熱傳遞[50]。其中，流體流過固體表面時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。對流換熱量可以用牛頓冷卻公式計(jì)算： （22）式中，q為對流換熱的熱流密度，為正數(shù)時物體放熱，負(fù)數(shù)時物體吸熱。h是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，Tw是物體表面溫度是流體溫度。工程上的傳熱問題可以歸納為三種類型[51]：1）強(qiáng)化傳熱，即在一定的溫差下加強(qiáng)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(biāo)溫度保持在合理的溫度范圍內(nèi)。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的目標(biāo)是控制電池溫度在正常范圍內(nèi)，在電池發(fā)熱嚴(yán)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。 計(jì)算流體力學(xué)簡介流體力學(xué)的研究方法主要有三種：理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算流體力學(xué)[52]。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。但是，理論分析通常只能對一些非常簡單的流體問題進(jìn)行求解，對于復(fù)雜的流體問題則很難得到理想的解。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。但是實(shí)驗(yàn)方法存在很大的局限性，往往由于外界干擾、測量手段限制和安全問題而得不到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[53]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算流體力學(xué)近年來發(fā)展迅速。計(jì)算流體力學(xué)的核心內(nèi)容是流場數(shù)值模擬，它以計(jì)算機(jī)為工具，通過數(shù)值計(jì)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(jìn)行顯示。事實(shí)上，連續(xù)介質(zhì)的流體運(yùn)動是一個無限的信息系統(tǒng)，而計(jì)算機(jī)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(diǎn)（網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)）信息近似表示整個連續(xù)的流場?？刂品匠淌菍α黧w運(yùn)動中遵循的物理規(guī)律的數(shù)學(xué)描述。在電池組內(nèi)，冷卻空氣的流動速度遠(yuǎn)小于聲速，可視為不可壓縮流體?？諝庠陔姵叵鋬?nèi)流動時溫度變化不大，密度和動力粘度可以看作不變量[54,55]。因此可以對控制方程進(jìn)行簡化。質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）： （23）動量方程： （24） （25） （26）能量方程： （27）其中，u、v、w為流速在三個坐標(biāo)軸方向的分量， 蟻為流體密度，為流體的速度矢量，div表示求散度，p為壓強(qiáng)，渭為動力粘度，ST為流體內(nèi)熱源發(fā)熱和由于粘性作用由機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來的內(nèi)能之和。FLUENT是目前使用較多的CFD仿真軟件。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(jì)算方法先進(jìn)，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(jì)等領(lǐng)域。針對不同的問題，F(xiàn)LUENT有不同的求解器可供選擇。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?）非耦合求解器（Segregated Solver）2）耦合隱式求解器（Coupled Implicit Solver）3）耦合顯式求解器（Coupled Explicit Solver） FLUENT程序結(jié)構(gòu)示意圖[57]非耦合求解器主要用于不可壓縮流體的流動，耦合求解器則可用于高速可壓流體。耦合隱式求解方法占用內(nèi)存較大，但是收斂時間短；耦合顯式求解方法收斂時間長，但是占用內(nèi)存小。 電池組熱管理系統(tǒng)建模和仿真分析本文研究的目標(biāo)電池為國內(nèi)某廠商生產(chǎn)的180Ah磷酸鐵鋰電池，應(yīng)用于電動汽車。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(jī)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)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(jì)的兩個目標(biāo)：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，℃。在仿真分析中，為了減少運(yùn)算量，在保證仿真計(jì)算精度的情況下，對電池模型進(jìn)行如下假設(shè)：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。以上假設(shè)是仿真計(jì)算的基礎(chǔ)，這幾項(xiàng)假設(shè)忽略了電池模型中難以確定且對熱管理系統(tǒng)仿真影響不大的細(xì)節(jié)部分。電池體內(nèi)的溫度分布與實(shí)際情況會存在差別，但是對研究電池整體溫度分布影響不大。而電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)就是電池總體溫度分布情況。 電池?zé)崮Ｐ偷慕?。電池形狀近似于長方體，外殼是塑料材質(zhì)，四周和底面都有凸起的肋條，增大電池散熱面積，并可以在電池間形成空氣流道。根據(jù)電池外形參數(shù)，利用Pro/。 電池單體外形及尺寸 電池單體三維模型依據(jù)廠商提供的參數(shù)和電池性能實(shí)驗(yàn)。 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。能量密度（W?h/kg at ）116循環(huán)壽命（80%DOD）2000工作溫度（℃）0~55（充電）/ 25~55（放電）標(biāo)準(zhǔn)充放電電流（C）自放電率（/月）3%比熱容（J/(kgK)）870電池?zé)崮Ｐ徒⒌闹匾徊绞谴_定電池的發(fā)熱量。鋰離子電池的發(fā)熱是一個復(fù)雜的物理和化學(xué)變化過程。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。1）反應(yīng)熱電池在充放電時內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，反應(yīng)熱是電流的一次函數(shù)，可以用公式計(jì)算： （28）式中，Q1是電池反應(yīng)的發(fā)熱量，單位是kJ/mol，Ic為充電電流，負(fù)號表示充電時為吸熱反應(yīng)，放電過程與此相反。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(jì)算公式為： （29）式中，I為電池充放電電流，Rp為極化內(nèi)阻。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(jì)算公式為： （210）式中，I為電池充放電電流，Re為歐姆內(nèi)阻。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)。且充電時，反應(yīng)熱為負(fù)，即電池從外界吸熱；放電時則電池發(fā)熱。因此，在電流較大時，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： （211） （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。內(nèi)阻是表征電池狀態(tài)的重要參數(shù)。鋰離子電池內(nèi)阻主要受溫度和SOC影響[56]?；旌厦}沖功率特性方法（Hybrid Pulse Power Characterization, HPPC）是一種最常用的內(nèi)阻測試方法。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。 HPPC電池等效電路，內(nèi)阻為極化內(nèi)阻與歐姆內(nèi)阻之和。從表中可以看出，電池內(nèi)阻變化范圍很大。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是溫度不超過50℃。在溫度低于35℃時，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)。需要重點(diǎn)關(guān)注的溫度范圍是在35~50℃之間，在這一溫度范圍內(nèi)，熱管理系統(tǒng)必須高效率地將電池產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，以保證電池的溫度不會過高。因此，在仿真分析時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)。取電池內(nèi)阻在35~50℃，并假設(shè)電池的內(nèi)阻為恒定值，這樣仿真時電池發(fā)熱量不會小于實(shí)際發(fā)熱量，保證了熱管理系統(tǒng)的散熱能力滿足實(shí)際工作的要求。由公式（211）可以算出，在1C電流（180A）下，電池的發(fā)熱功率為44W，103m3。 電池單體內(nèi)阻值（mΩ） 溫度(℃)SOC(%)105203550100806040200典型鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)。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)。這兩種方式熱導(dǎo)率的計(jì)算公式如下[59]： （213） （214）式中，k1為圖1中X和Z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，k2為Y方向的導(dǎo)熱系數(shù)。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。利用公式和電池材料的信息可以計(jì)算出各方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。 典型鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖[59]為了進(jìn)一步了解電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對一塊報廢的電池進(jìn)行了拆解。，不同的是電