【正文】 電池串聯(lián)供電，市區(qū)行駛里程可達(dá) 113 公里。機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 熱 管 理 系 統(tǒng)電 氣 結(jié) 構(gòu)電 池 管 理 系 統(tǒng)結(jié) 構(gòu) 安 全電 安 全熱 安 全 圖 車(chē)用電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 美日歐等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電池管理系統(tǒng)的研究起步較早，依托成熟的汽車(chē)工業(yè)和先進(jìn)的電池技術(shù)，取得了一系列研究成果，部分成果在汽車(chē)上成功應(yīng)用。 電 池 系 統(tǒng)電 池 單 體電 池 單 體電 池 單 體機(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 。 車(chē)用電池第 1 章 引言 7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 如 圖 所示。電池組集成技術(shù)對(duì)于提高電池工作效率、延長(zhǎng)使用壽命和提高安全性等方面均具有重要意義。如何將數(shù)量眾多的電池單體 集成為滿(mǎn)足車(chē)用要求的電池組，是電池組集成技術(shù)研究的主要問(wèn)題。除了電池本身的質(zhì)量和加工工藝問(wèn)題，引起電動(dòng)汽車(chē)安全事故的一個(gè)重要原因是電池集成技術(shù)不成熟。 2022 年 5 月 26 日凌晨，深圳一輛電動(dòng)出租車(chē)被撞后起火，車(chē)內(nèi)三人當(dāng)場(chǎng)死亡 [20]。調(diào)查結(jié)果表明，幾起事故均由電動(dòng)汽車(chē)電池或電路系統(tǒng)故障引起 [18]。無(wú)獨(dú)有偶，同年6 月，河北邢臺(tái)市發(fā)生類(lèi)似的電動(dòng)汽車(chē)自燃事件；同月，青島一輛電動(dòng)汽車(chē)在充電 過(guò)程中 突然著火。 車(chē)用鋰離子電池組集成技術(shù) 車(chē)用鋰離子電池組集成技術(shù)簡(jiǎn)介 隨著電動(dòng)汽車(chē)逐步推向市場(chǎng)應(yīng)用，電動(dòng)汽車(chē)的安全問(wèn)題逐漸暴露出來(lái) ，引起人們的廣泛關(guān)注，成為制約電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)推廣的重要因素之一 。在正常的充放電情況下，電池 負(fù)極材料化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變，因此鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆過(guò)程 [16]。充電時(shí) Li+從正極 材料上剝離，穿過(guò)隔膜移動(dòng) 到負(fù)極，同時(shí) 電子 通過(guò) 外電路移 動(dòng) 到負(fù)極 并 被 Li+俘獲，保證了負(fù)極的電荷平衡。目前市場(chǎng)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） 。 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。 索尼 公司 于 1990 年 率先推出了實(shí)用型的鋰離子電池。Armand[14]首先提出了用嵌鋰化合物替代金屬鋰作為負(fù)極材料的構(gòu)想 。 鋰 二次電池的研究最早開(kāi)始于 20 世紀(jì) 60~70 年代， 當(dāng)時(shí)主要以金屬鋰作為電池負(fù)極材料，這種電池有嚴(yán)重的安全隱患 [13]。 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 簡(jiǎn)介 鋰離子電池發(fā)展概述 鋰離子電池依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)產(chǎn)生電流，因此而得名。 車(chē)用電池的工作環(huán)境決定了它必須 具有以上幾個(gè)特點(diǎn) ，目前車(chē)用電池技術(shù)的不足也主要體現(xiàn)在這些方面。 7）良好的安全性。汽車(chē)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^(guò)高的自放電率可能導(dǎo)致汽車(chē)靜止時(shí)電池過(guò)度放電而損害電池。 電池的使用壽命是限制電動(dòng)汽車(chē)推廣的一個(gè)重要因素，較長(zhǎng)的使用壽命意味著較低的使用成本和維護(hù)成本。為了滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)電壓和功率的要求，車(chē)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(gè)別 單體 過(guò)度充電或過(guò)度放電，影 響電池的性能和壽命，甚至造成安全 事故 。 因此電動(dòng)汽車(chē)的電池需要較高的功率密度。 第 1 章 引言 4 3） 高功率密度。 汽車(chē)上空間狹小， 能夠用于安裝電池的空間有限，因此要求電池具有較高的能量密度。路況較差時(shí)，汽車(chē)顛簸嚴(yán)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(chē) 經(jīng)常 需要在嚴(yán)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 。 電動(dòng)汽車(chē) 對(duì)電池的性能要求較高 ， 表現(xiàn)在 以下幾個(gè)方面： 1） 環(huán)境適應(yīng)性好 。鋰離子電池的 特點(diǎn) 使其在電動(dòng)汽車(chē)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(chē)的理想動(dòng)力源。 已經(jīng)在豐田普銳斯、本田思域等混合動(dòng)力汽車(chē)上得到應(yīng)用。 第 1 章 引言 3 表 幾種電池性能比較 項(xiàng)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(jià)格低廉，長(zhǎng)期以來(lái)在電動(dòng)汽車(chē)上得到廣泛應(yīng)用 ； 但是 其比能量低，循環(huán)壽命短 ， 并且重金屬鉛會(huì)造成環(huán)境污染，目前正逐漸面臨淘汰。 表 電池發(fā)展史上重要事件 時(shí)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(dòng)汽車(chē)問(wèn)世，采用鉛酸電池供電 1890 鐵鎳電池問(wèn)世 1899 鎳鎘電池問(wèn)世 1914 堿性電池問(wèn)世 1970 鋰一次電池 問(wèn)世 1991 Sony 可充電鋰離子電池開(kāi)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(kāi)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(dòng)汽車(chē)上應(yīng)用較多的電池類(lèi)型 。 從數(shù)碼產(chǎn)品、汽車(chē)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。 車(chē)用電池技術(shù) 電池技術(shù)發(fā)展概述 1800 年， Alessandro Volta 發(fā)明了電池 。但是 ， 電池技術(shù)依然是制約電動(dòng)汽車(chē) 發(fā)展的關(guān)鍵因素。動(dòng)力電池 是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件， 電池技術(shù)在近年 來(lái)發(fā)展迅速 。 并 提出 2022 年 純電動(dòng)汽車(chē)和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)?yán)塾?jì)產(chǎn)銷(xiāo)量 達(dá)到 50萬(wàn)輛， 2020 年超過(guò) 500 萬(wàn)輛； 2022 年生產(chǎn)的乘用車(chē) 百公里油耗降低至 升，到 2020 年降至 升 ；新能源汽車(chē)、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]。 并提出到 2030 年 使 交通運(yùn)輸領(lǐng)域 對(duì)石油依賴(lài)程度 降低 20%[5]。 為了保證能源戰(zhàn)略的順利實(shí)施，歐盟將 繼續(xù)推進(jìn)先進(jìn)內(nèi)燃機(jī)技術(shù)，加快電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化 ，同時(shí) 推進(jìn)能源多樣化， 重點(diǎn) 發(fā)展 氫 能 、 天然氣和生物燃料 [4]。因此，美國(guó) 將 大幅提高對(duì)電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的投入 。 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(chē) 數(shù)量達(dá)到 100 萬(wàn)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]。 各國(guó)政府紛紛研究制定了符合各自國(guó)情的 電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展戰(zhàn)略 和技術(shù)路線。 汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展加劇了我國(guó)對(duì)進(jìn)口石油的依賴(lài)度， 威脅著國(guó)家的能源安全 。 汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展加速了 環(huán)境污染和 能源需求 增長(zhǎng) 。 Battery Thermal Management System 目 錄 IV 目 錄 第 1 章 引言 ....................................................................................................... 1 課題背景及意義 ...................................................................................... 1 車(chē)用電池技術(shù) .......................................................................................... 2 電池技術(shù)發(fā)展概述 ............................................................................. 2 電動(dòng)汽車(chē)對(duì)電池 性能的要求 ............................................................. 3 鋰離子電池簡(jiǎn)介 ...................................................................................... 4 鋰離子電池發(fā)展概述 ......................................................................... 4 鋰離子電池工作原理 ......................................................................... 5 車(chē)用鋰離子電池組集成技術(shù) .................................................................. 6 車(chē)用鋰離子 電池組集成技術(shù)簡(jiǎn)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(chē)用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)算流體力學(xué)簡(jiǎn)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(jī)械 結(jié)構(gòu) ............................................................................... 22 仿真模型網(wǎng)格劃分 ........................................................................... 24 仿真分析的計(jì)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(kāi)發(fā) ............................................................................. 38 電池管理系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā) ................................................................ 38 電池管理系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā) ................................................................... 39 電池管理系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā) ................................................................... 44 電池系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu) ......................