车用锂离子电池组集成技术的研究(编辑修改稿)

车用锂离子电池组集成技术的研究(编辑修改稿)内容摘要：

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Spotnitz等[45]建立的热滥用模型耦合了电池内多种可能存在的生热反应，仿真电池的温度箱实验。 分析结果表明粘合剂对电池热失控影响不大。 金慧芳等[46]建立电池的热滥用模型，并申请了相关专利。 电池热模型是研究电池热管理系统的重要工具，针对不同的电池和热管理方式，建立适当的热模型，是电池热管理系统成功开发的关键。 目前常用的电池组冷却方式很多，按冷却介质不同可以分为三类：空气冷却、液体冷却和相变材料冷却。 根据实际情况，有时候为了实现更好的散热效果，不单采用一种冷却方式，而是同时采用几种冷却方式[47]。 空气冷却方式可以分为两种：自然对流冷却和强制对流冷却。 自然对流冷却是指不使用任何额外的能量，通常直接利用汽车行驶时形成的自然风对电池进行冷却。 这种方法简单易行且成本低廉，但冷却效率较低。 为了获得较好的散热效果，通常要求电池的外形和封装材料经过特殊设计，以增大散热面积，并且对电池在汽车上的安装位置也有要求，影响车体的结构。 强制对流冷却是指利用风扇、蒸发器等驱动空气流动进行散热。 与自然对流冷却相比效率更高，对电池外形和电池箱结构要求较低，并且在汽车上布置位置较灵活。 根据空气在电池组内流动形式的不同，空气冷却还可以分为串流式和并流式[48]。 ，串流式冷却结构中空气从电池箱一端流入，从另一端流出，每个电池表面流过的空气流量都是相同的；并流式冷却结构中进入电池箱的空气被分为几股，通过电池侧面的流道对电池进行冷却，之后汇聚到出风口处排出电池箱外。 串流式冷却方式虽然各电池单体空气流量一致，但是在空气流动过程中，吸收电池散发的热量，温度逐渐升高，冷却能力逐渐下降，一段时间后不同电池单体的温度出现差异，靠近进风口电池单体温度较低，靠近出风口处电池单体温度较高。 相对而言，并流式冷却结构中流过不同单体的空气温度相差较小，电池单体温度一致性较好。 并流式冷却结构不同通道中空气温度与流量受结构影响较大，通过优化电池组机械结构通常能使电池单体温度达到较好的一致性。 由于液体的传热系数比空气高很多，液体冷却通常比空气冷却效果好。 常用的冷却液有水、矿物油、乙二醇水溶液等。 由于液体的粘度高，通常需要较大的泵功率。 液体冷却系统需要很高的密封性，因此系统结构复杂，对装配精度要求较高。 (a) 串流式(b) 并流式 串流式冷却和并流式冷却结构示意图相变材料在电池热管理系统中的应用最早由Hallaj S A等人提出[49]。 这种冷却系统利用冷却材料熔化或气化过程带走电池产生的热量。 相变材料冷却系统不需要额外的冷却接口，也不需要对电池间流道进行特殊设计，但是相变材料的使用大大增加了电池组的重量，同时，为了防止材料泄露，对电池箱的密封性要求较高。 本文的研究内容电池是电动汽车的关键部件，提高电池工作效率、延长电池使用寿命、保障系统安全性是电池组集成技术研究的主要目的。 本文基于某180Ah锂离子电池，开展了电池组集成技术的研究。 ，包括以下几个部分：1）电池性能试验。 通过电池性能试验，研究电池性能特性，分析了系统的需求，作为整个研究工作的基础。 2）电池组机械结构设计与优化。 首先通过理论分析和实验研究，建立了电池的三维热模型。 之后参考目前常见的散热方式，确定了热管理系统的基本结构，建立了系统的仿真模型，在FLUENT软件中进行了CFD仿真研究。 根据仿真结果反映的问题，研究了结构优化方法，完成了机械结构设计。 本文主要研究内容3）电池管理系统和电气机构的开发。 分析了电池管理系统的功能需求，确定了电池管理系统的主控单元和数据采集单元的主要功能，开展了电池管理系统软硬件的研究。 之后以保障电池电气安全为设计理念，研究了电池系统的电气结构。 最后为了提高标定效率，研究了电池管理系统自动标定装置。 4）系统的实现及实验研究。 在前期研究基础上，完成了电池系统的集成，研究了系统集成的关键技术。 为了验证前期研究结果，对电池系统进行了实验研究。 根据实验中反映的问题，对仿真模型进行了优化。 81第2章 车用锂离子电池组机械结构设计与优化第2章 车用锂离子电池组机械结构设计与优化电池组机械结构设计是电池组集成的基础。 机械结构不仅直接决定了电池的空间排布和固定方式，还涉及电池组热管理和电气布置等一系列问题。 电池组热管理系统是机械结构设计的核心内容。 研究电池热管理系统通常采用理论分析、CFD仿真和实验研究相结合的方法。 通过理论分析和电池性能试验，对锂离子电池热模型展开研究，建立了目标电池的三维热模型。 在此基础上完成热管理系统的CFD仿真。 根据仿真结果反映的问题，对机械结构进行优化，完成了电池组机械结构的设计。 电池组热管理的理论基础及研究方法电池在工作时会发热，当热量累积到一定程度时会导致电池工作温度过高，影响电池正常工作甚至损害电池。 热管理系统的目的就是把多余的热量带走，保持电池工作在正常的温度范围。 根据热力学第二定律可知，热量会自发的从温度较高的物体向温度较低的物体传递。 热管理的基本方法是利用温度较低的流质流过电池组，吸收热量并将热量带出电池组。 因此，研究热管理的理论基础是流体力学和传热学。 本文采用了理论分析、CFD仿真和实验研究相结合的方法对电池组热管理进行研究。 电池的传热方式热传递有三种基本方式：热传导、对流和热辐射。 电池工作时，部分热量通过表面散发出去，导致电池表面温度低，内部温度高，电池体内存在热传导；而电池表面的热主要通过对流散发到冷却流质中；电池也在不断通过热辐射传热。 热传导是指仅依靠分子、原子、电子等微观粒子的热运动进行的热量传递[50]。 对于x方向任意一个厚度为dx的薄层来说，单位时间内通过该层的热量可以用公式计算： （21） 通过平板的一维导热对流是指由于流体的流动，引起流体内部各部分之间发生相对位移，不同温度的流体相互混合引起的热传递[50]。 其中，流体流过固体表面时的热量传递过程，称为对流换热。 对流换热量可以用牛顿冷却公式计算： （22）式中，q为对流换热的热流密度，为正数时物体放热，负数时物体吸热。 h是表面传热系数，Tw是物体表面温度是流体温度。 工程上的传热问题可以归纳为三种类型[51]：1）强化传热，即在一定的温差下加强热量的传递；2）削弱传热，即在一定的温差下减弱热量的传递；3）温度控制，通过控制热量传递，使目标温度保持在合理的温度范围内。 电池热管理系统的目标是控制电池温度在正常范围内，在电池发热严重时，加快电池与冷却介质的热量传递，使热量尽快的排出电池组外。 计算流体力学简介流体力学的研究方法主要有三种：理论分析、实验研究和计算流体力学[52]。 理论分析的优点在于分析过程直观明了，具有普遍适用性。 但是，理论分析通常只能对一些非常简单的流体问题进行求解，对于复杂的流体问题则很难得到理想的解。 实验研究方法得到的结果真实可信，是发现流体规律、检验理论和为流体机械设计提供数据的基本手段。 但是实验方法存在很大的局限性，往往由于外界干扰、测量手段限制和安全问题而得不到准确的实验结果[53]。 随着计算机技术的不断进步，计算流体力学近年来发展迅速。 计算流体力学的核心内容是流场数值模拟，它以计算机为工具，通过数值计算再现研究对象状态变化及其内在规律，并以数据和图像的形式对研究结果进行显示。 事实上，连续介质的流体运动是一个无限的信息系统，而计算机的内存和其所能表示的数位都是有限的，数值模拟只能通过流场中按一定规律排列的有限数量的点（网格节点）信息近似表示整个连续的流场。 控制方程是对流体运动中遵循的物理规律的数学描述。 在电池组内，冷却空气的流动速度远小于声速，可视为不可压缩流体。 空气在电池箱内流动时温度变化不大，密度和动力粘度可以看作不变量[54,55]。 因此可以对控制方程进行简化。 质量守恒方程（连续性方程）： （23）动量方程： （24） （25） （26）能量方程： （27）其中，u、v、w为流速在三个坐标轴方向的分量， 蟻为流体密度，为流体的速度矢量，div表示求散度，p为压强，渭为动力粘度，ST为流体内热源发热和由于粘性作用由机械能转化而来的内能之和。 FLUENT是目前使用较多的CFD仿真软件。 FLUENT能够分析流体流动、热传递和化学反应等问题，数值计算方法先进，能够仿真多种物理模型，广泛应用于汽车、航空航天、涡轮设计等领域。 针对不同的问题，FLUENT有不同的求解器可供选择。 用户可以根据具体的问题和求解精度要求选择适当的求解器。 1）非耦合求解器（Segregated Solver）2）耦合隐式求解器（Coupled Implicit Solver）3）耦合显式求解器（Coupled Explicit Solver） FLUENT程序结构示意图[57]非耦合求解器主要用于不可压缩流体的流动，耦合求解器则可用于高速可压流体。 耦合隐式求解方法占用内存较大，但是收敛时间短；耦合显式求解方法收敛时间长，但是占用内存小。 电池组热管理系统建模和仿真分析本文研究的目标电池为国内某厂商生产的180Ah磷酸铁锂电池，应用于电动汽车。 车体空间较小，在有限的空间内需要布置电池、电池管理系统和其他电气和机械构件，因此要求热管理系统占用的体积尽可能小。 根据厂商提供的电池工作参数，结合电池的工作条件，本文确定热管理系统设计的两个目标：1）在1C充放电电流下，电池温度不高于50℃；2）保证电池温度一致性，℃。 在仿真分析中，为了减少运算量，在保证仿真计算精度的情况下，对电池模型进行如下假设：1）电池单体的比热容为常数，电池内部各部分比热容相同，电池单体的温度变化只与比热容有关；2）电池单体内部均匀发热；3）忽略电池单体内部的对流和热辐射。 以上假设是仿真计算的基础，这几项假设忽略了电池模型中难以确定且对热管理系统仿真影响不大的细节部分。 电池体内的温度分布与实际情况会存在差别，但是对研究电池整体温度分布影响不大。 而电池热管理系统和机械结构设计关注的重点就是电池总体温度分布情况。 电池热模型的建立。 电池形状近似于长方体，外壳是塑料材质，四周和底面都有凸起的肋条，增大电池散热面积，并可以在电池间形成空气流道。 根据电池外形参数，利用Pro/。 电池单体外形及尺寸 电池单体三维模型依据厂商提供的参数和电池性能实验。 电池部分性能参数参数名称参数值容量（Ah）180质量（kg）177。 能量密度（W∙h/kg at ）116循环寿命（80%DOD）2000工作温度（℃）0~55（充电）/ 25~55（放电）标准充放电电流（C）自放电率（/月）3%比热容（J/(kgK)）870电池热模型建立的重要一步是确定电池的发热量。 锂离子电池的发热是一个复杂的物理和化学变化过程。 Noboru Sato等人的研究成果表明[58]，锂离子电池的发热可以分为三类：反应热、极化热和焦耳热。 1）反应热电池在充放电时内部发生化学反应所产生的热量，反应热是电流的一次函数，可以用公式计算： （28）式中，Q1是电池反应的发热量，单位是kJ/mol，Ic为充电电流，负号表示充电时为吸热反应，放电过程与此相反。 2）极化热极化热是电池浓差极化、欧姆极化和电化学极化产生的热量之和，计算公式为： （29）式中，I为电池充放电电流，Rp为极化内阻。 3）焦耳热焦耳热是由于电池存在欧姆内阻产生的热量，计算公式为： （210）式中，I为电池充放电电流，Re为欧姆内阻。 这三类热量中，反应热是电流的一次函数，极化热、焦耳热是电流的二次函数。 且充电时，反应热为负，即电池从外界吸热；放电时则电池发热。 因此，在电流较大时，可以忽略反应热，电池发热量主要由极化热和焦耳热组成，即总的发热量为： （211） （212）其中，Qt电池总发热量，Ri为电池总内阻，即极化内阻与欧姆内阻之和。 内阻是表征电池状态的重要参数。 锂离子电池内阻主要受温度和SOC影响[56]。 混合脉冲功率特性方法（Hybrid Pulse Power Characterization, HPPC）是一种最常用的内阻测试方法。 HPPC方法将电池等效为理想电压源与一个电阻的串联，此电阻即为电池内阻。 HPPC电池等效电路，内阻为极化内阻与欧姆内阻之和。 从表中可以看出，电池内阻变化范围很大。 电池热管理系统的设计目标是温度不超过50℃。 在温度低于35℃时，散热系统的压力不大，这一温度范围不是热管理系统研究的重点。 需要重点关注的温度范围是在35~50℃之间，在这一温度范围内，热管理系统必须高效率地将电池产生的热量散发出去，以保证电池的温度不会过高。 因此，在仿真分析时这一温度范围的电池发热量是考察的重点，热管理系统的散热能力以此温度范围电池发热功率为依据进行设计。 取电池内阻在35~50℃，并假设电池的内阻为恒定值，这样仿真时电池发热量不会小于实际发热量，保证了热管理系统的散热能力满足实际工作的要求。 由公式（211）可以算出，在1C电流（180A）下，电池的发热功率为44W，103m3。 电池单体内阻值（mΩ） 温度(℃)SOC(%)105203550100806040200典型锂离子电池内部结构为多层结构。 在垂直于层面方向，电池的传热需要穿透多层材料，可以看成多层材料的串联；在平行于层面方向，则可以看做多层材料的并联。 这两种方式热导率的计算公式如下[59]： （213） （214）式中，k1为图1中X和Z方向的导热系数，k2为Y方向的导热系数。 ki为第i层材料的导热系数，Ai为第i层并联材料的截面积，Li为第i层串联材料的厚度。 利用公式和电池材料的信息可以计算出各方向上的导热系数。 典型锂离子电池结构示意图[59]为了进一步了解电池内部结构，对一块报废的电池进行了拆解。 ，不同的是电。