【正文】 巨資推進電池技術(shù)的研發(fā)。兩百多年來，電池技術(shù)不斷發(fā)展，各種新型電池不斷出現(xiàn)。從中我們可以看到電池技術(shù)的發(fā)展軌跡。[9,10]。鎳氫電池無污染，能提供較大電流，并且具有較高的回收使用效率。鋰離子電池具有工作電壓高、循環(huán)壽命長、安全性好、能量密度高、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，這些優(yōu)點使其在手機、藍牙設(shè)備、筆記本電腦、數(shù)碼相機等便攜式設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用，已成為最常用的電池之一。 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。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。2）高能量密度。對于純電動汽車，電池是汽車唯一的能量來源，電池的能量密度直接決定了汽車的續(xù)航里程。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。4）良好的一致性。5） 使用壽命長。6）自放電率低，無記憶效應(yīng)。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。在研究車用電池技術(shù)時，一方面要改進電池材料和加工工藝，提高電池的質(zhì)量；另一方面，要深入研究電池應(yīng)用技術(shù)，使現(xiàn)有的電池更好的滿足車用要求。鋰離子電池是上世紀九十年代初期發(fā)展起來的新型電池，經(jīng)過近二十年的發(fā)展，目前己在各種消費電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，并且被應(yīng)用于電動汽車、潛艇、飛機和航天器等高科技領(lǐng)域。鋰電池括鋰一次電池和鋰二次電池。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。隨后，Scrosati等人[15]以TiSWONbS2或V2O5作為正極，LiWO2或Li6FeO3作為負極，組裝成鋰離子電池，于1986年完成了電池的原型設(shè)計。這種電池克服了鋰電池安全性差，循環(huán)壽命短的缺點，迅速成為研究熱點，并得到了廣泛的推廣使用。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。放電過程則相反，Li失去一個電子變成Li+，從負極穿過隔膜回到正極。鋰離子電池充電過程反應(yīng)為：1）正極反應(yīng) （11）2）負極反應(yīng) （12）3）總的電池反應(yīng) （13）鋰離子電池放電過程反應(yīng)為：1）正極反應(yīng) （14）2）負極反應(yīng) （15）3）總的電池反應(yīng) （16）其中，M為Co、Ni、Fe、W、Mn等金屬元素。2011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。2011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。2012年4月11日，通用替代能源技術(shù)中心正在進行測試的鋰離子電池突然發(fā)生爆炸[19]。電動汽車電池的安全問題引起人們的強烈擔憂，已經(jīng)成為電動汽車發(fā)展和市場推廣過程中亟待解決的問題。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。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。電池系統(tǒng)的集成并不是將電池單體簡單的串并聯(lián)組合，而是以滿足車用要求為目標，以保障電池安全工作為指導(dǎo)，完成電池系統(tǒng)的集成。機械結(jié)構(gòu)以電池熱管理系統(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)達國家對電池管理系統(tǒng)的研究起步較早，依托成熟的汽車工業(yè)和先進的電池技術(shù)，取得了一系列研究成果，部分成果在汽車上成功應(yīng)用。1）EV1的電池管理系統(tǒng)[21]通用公司的EV1電動汽車由26個鉛酸電池串聯(lián)供電，市區(qū)行駛里程可達113公里。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。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。該系統(tǒng)的主要功能有：測量單體電壓、溫度和電流；過度充電檢測，防止過度充電；放電極性反向報警；電池信息保存；剩余電流估算。2005年國家863計劃首批研究課題立項，很多高校和汽車企業(yè)成立了項目組進行電池管理系統(tǒng)的研究，部分產(chǎn)品已經(jīng)在實車上應(yīng)用。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。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。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410路單體電壓，實時監(jiān)測電池組總電壓、總電流和溫度，還能實現(xiàn)單體電壓均衡。近年來，電池SOH（StateofHealth, 健康狀態(tài)）和SOF（StateofFunction, 功能狀態(tài)）的估計吸引了很多研究者的關(guān)注[2830]，但尚未在成熟的產(chǎn)品上得到實現(xiàn)。 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。由于空間位置不同，各電池單體的溫度也存在差異。因此，在車用電池組中加入熱管理系統(tǒng)很有必要。目前鋰離子電池熱模型的研究不斷發(fā)展，研究人員提出了很多種模型。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]。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]。利用一維模型，研究人員研究了相變材料在電池熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用和極化內(nèi)阻的測量方法[36, 37]。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]。在電池熱管理系統(tǒng)研究中使用較多。主要從電化學(xué)反應(yīng)生熱的角度描述電池的發(fā)熱。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。研究結(jié)果表明，只有當聚合物電解液的薄膜電阻小于20Ω熱濫用模型主要用于電池安全性研究。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。R. 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驗。金慧芳等[46]建立電池的熱濫用模型，并申請了相關(guān)專利。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?？諝饫鋮s方式可以分為兩種：自然對流冷卻和強制對流冷卻。這種方法簡單易行且成本低廉，但冷卻效率較低。強制對流冷卻是指利用風扇、蒸發(fā)器等驅(qū)動空氣流動進行散熱。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，靠近進風口電池單體溫度較低，靠近出風口處電池單體溫度較高。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)化電池組機械結(jié)構(gòu)通常能使電池單體溫度達到較好的一致性。常用的冷卻液有水、礦物油、乙二醇水溶液等。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。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。 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。包括以下幾個部分：1）電池性能試驗。2）電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化。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軟件中進行了CFD仿真研究。 本文主要研究內(nèi)容3）電池管理系統(tǒng)和電氣機構(gòu)的開發(fā)。之后以保障電池電氣安全為設(shè)計理念，研究了電池系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)。4）系統(tǒng)的實現(xiàn)及實驗研究。為了驗證前期研究結(jié)果，對電池系統(tǒng)進行了實驗研究。81第2章 車用鋰離子電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化第2章 車用鋰離子電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化電池組機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是電池組集成的基礎(chǔ)。電池組熱管理系統(tǒng)是機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心內(nèi)容。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。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。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。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。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。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。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]。對流換熱量可以用牛頓冷卻公式計算： （22）式中，q為對流換熱的熱流密度，為正數(shù)時物體放熱，負數(shù)時物體吸熱。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)。 計算流體力學(xué)簡介流體力學(xué)的研究方法主要有三種：理論分析、實驗研究和計算流體力學(xué)[52]。但是，理論分析通常只能對一些非常簡單的流體問題進行求解，對于復(fù)雜的流體問題則很難得到理想的解。但是實驗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確的實驗結(jié)果[53]。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?？刂品匠淌菍α黧w運動中遵循的物理規(guī)律的數(shù)學(xué)描述?？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]。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，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械能轉(zhuǎn)化而來的內(nèi)能之和。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。用戶可以根據(jù)具體的問題和求解精度要求選擇適當?shù)那蠼馄?。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。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。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)：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。電池體內(nèi)的溫度分布與實際情況會存在差別，但是對研究電池整體溫度分布影響不大。 電池熱模型的建立。根據(jù)電池外形參數(shù)，利用Pro/。 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。K)）870電池熱模型建立的重要一步是確定電池的發(fā)熱量。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。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： （29）式中，I為電池充放電電流，Rp為極化內(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)。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。鋰離子電池內(nèi)阻主要受溫度和SOC影響[56]。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。從表中可以看出，電池內(nèi)阻變化范圍很大。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。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，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)進行設(shè)計。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。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)。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。 典型鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖[59]為了進一步了解電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對一塊報廢的電池進行了拆解。 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。 電池材料導(dǎo)熱系數(shù)材料導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m?K)）磷酸鐵鋰鋁238石墨銅401PP（隔膜）聚丙烯（外殼）電池內(nèi)部物質(zhì)（不包括外殼）為層狀結(jié)構(gòu)，由公式（213）和（214），查詢各部分材料的厚