（车辆工程专业论文）电动汽车锂离子电池包热特性研究与优化设计.pdf

摘要 锂离子电池因其性能优异在电动汽车上得到了大量应用，但其在使用过程中会大 量发热是一个必须注意的问题这不仅影响锂离子电池的性能，也会产生相应安全问 题。因此电池包的热管理是电动汽车和混合动力电动汽车在所有气候条件下有效运行 必不可少的。本文分析了温度对电池组性能和寿命的影响，概括了电池组热管理系统 的功能，介绍了电池组热管理系统设计的一般流程。并讲述电池包热管理需解决的一 些问题和相关解决方案，以及怎样合适的设计电池包散热加热系统。 具体来说本文首先介绍了电动汽车电池包的构造，然后介绍了锂离子电池的生热 机理分析在不同温度条件下锂离子电池以不同倍率充放电时的温度场，以及锂离子 电池的热特性。基于此，应用a n s y s 分析计算锂离子电池组的温度场，研究锂离子电 池的发热问题。分析电池包内部电池模块的冷却方式，比较串行和并行通风冷却的特 点。数值模拟热管理的风道冷却效果。根据车辆实际运行工况和电池包的实际结构模 拟出电池包内部温度场的情况，进而研究了电动汽车锂离子电池包的整体热特性。 同时分析出性能最好的电池很差的整合成电动车电池包或电池包模块也会导致 电池包整体性能降低。在本文中我们比较讨论电池包使用众多小电池与少量大电池， 还有使用棱柱形电池与圆柱电池的优点和缺点。并通过热特性仿真分析说明选取不同 类型电池的区别，另外还分析了电池模块化方式。 本文的研究主要针对电动汽车电池包内部电池模块的布置，同时研究了冷却结构 的设计。并对目前国内外电池包热管理的最新研究做了相关分析和归纳总结，指导电 动汽车电池包的设计。同时对电池包的热管理系统设计方法做了相关的归纳总结，总 结出最佳的设计流程。并且针对有利于电池包热管理的电池选型作出相关介绍，指导 电池的设计。总之本研究对于电动汽车电池包整体的设计有一定指导价值。 关键词：电动汽车，电池包，热管理，加热，冷却，数值仿真 a b s t r a c t l i i o nb a t t e r i e sa r eu s e di ne l e c t r i cv e h i c l e s ( e v s ) f o ri t sa d v a n t a g e b u ti t se x o t h e r r l l i c q u e s t i o ni sap r o b l e mt h a tm u s tb ec a r e d i tn o to n l yc a ni n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo f l i - i o nb a t t e r i e s ，b u ta l s oc a nb r i n gs a f e t yp r o b l e m s s ot h e r m a im a n a g e m e n to fb a t t e r i e si n e l e c t r i cv e h i c l e s ( e v s ) a n dh y b r i de l e c t r i cv e h i c l e s ( h e v s ) i se s s e n t i a lf o re f f e c t i v e o p e r a t i o ni na l lc l i m a t e s i nt h i sp a p e r ，b ya n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo nt h e p e r f o r m a n c ea n ds e r v i c el i f eo fb a t t e r i e s ，t h ed e s i r e df u n c t i o no fab t m sw a so u t l i n e d ，a p r o c e d u r ef o rd e s i g n i n gb t m sw a si n t r o d u c e d 。a n da l s or e v i e ws o m eo ft h ei s s u e sa n d a s s o c i a t e ds o l u t i o n sf o rb a t t e r yt h e r m a lm a n a g e m e n ta n dh o wt op r o p e r l yd e s i g nb a t t e r y c o o l i n ga n dh e a t i n gs y s t e m s s p e c i f i c a l l yt h i sp a p e l d e s c r i b e st h ec o n s t r u c t i o no fe l e c t r i cv e h i c l eb a t t e r yp a c ka tf i r s t ， a n di n t r o d u c e dt h el i t h i u m - i o nb a t t e r yh e a tm e c h a n i s m t h e ne m u l a t e dt h et e m p e r a t u r ef i e l d o fl i t h i u m - i o nb a t t e r yp a c ka td i f f e r e n tc h a r g eo rd i s c h a r g es t a t eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ， a n dd i dac o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so fl i t h i u m i o nb a t t e r y i nt h i s p a p e rl i i o nb a t t e r i e s t h e r m a lf i e l do fb a t t e r ym o d u l e li sa n a l y z e db yu s i n ga n s y s i t s e x o t h e r m i cq u e s t i o ni sr e s e a r c h e d a n da n a l y z et h ec o o l i n gm o d eo ft h ei n t e m a lb a t t e r y m o d u l ew i t h i nt h eb a t t e r yp a c k e t ，c o m p a r et h es e r i a la n d p a r a l l e lv e n t i l a t i o nc o o l i n g u s i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt or e s e a r c ho nt h ev e n t i l a t i o nc o o l i n ge f f e c to nt h et h e r m a l m a n a g e m e n t a c h i e v i n gi t si n t e m a lt e m p e r a t u r es i t u a t i o na c c o r d i n gt ot h ea c t u a lv e h i c l e s m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo ft h eb a t t e r yp a c k a g e ，s t u d i e dw h o l e t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i e so ft h ee l e c t r i cv e h i c l el i t h i u m i o nb a t t e r yp a c k a tt h es a m et i m et h eb e s tc e l l sm a yn o tp e r f o r ma sw e l lw h e nb a d l yi n t e g r a t e di n t o p a c k sf o rv e h i c l e s i nt h i sp a p e r , w ec o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fu s i n g m a n ys m a l lc e l l sv e r s u saf e wl a r g ec e l l sa n du s i n gp r i s m a t i cc e l l sv e r s u sc y l i n d r i c a lc e l l s a n dw ei l l u s t r a t et h ed i s t i n c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tb a t t e r yt y p ec h o i c e sb ys i m u l a t i o no f t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s i na d d i t i o n ，w et a k ea na n a l y s i so ft h eb a t t e r ym o d u l a rm o d e sp 印e ra i m e da ts t u d y i n gt h eb a t t e r ym o d u l el a y o u ti n s i d ee l e c t r i cv e h i c l eb a t t e r y p a c k ，a n dt h ed e s i g no ft h ec o o l i n gs t r u c t u r ei sa l s od i s c u s s e d a sw e l la si n t r o d u c e dt h e l a t e s tr e s e a r c ho fb a t t e r yp a c kt h e r m a lm a n a g e m e n ta th o m ea n da b r o a da n dd i da c o r r e l a t i o na n a l y s i s ，w h i c hh a sag o o dg u i d ef o rt h ed e s i g no fe l e c t r i cv e h i c l eb a t t e r yp a c k a tt h es a m et i m ed i dar e l e v a n ts u m m a r yt od e s i g nm e t h o do ft h eb a t t e r yp a c kt h e r m a l m a n a g e m e n ts y s t e m ，s u m m e du pt h eb e s td e s i g np r o c e s s a n dt h i sr e s e a r c hi sa l s o c o n d u c i v et ob a t t e r ys e l e c t i o nf o rt h eb a t t e r yp a c kt h e r m a lm a n a g e m e n t ，w h i c ha r ea l s o h a v es o m eg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o rt h ed e s i g no ft h eb a t t e r y o v e r a l lt h i sr e s e a r c hi s i n s t r u c t i v et ot h eo v e r a l ld e s i g no fe l e c t r i cv e h i c l eb a t t e r yp a c k k e y w o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ，b a t t e r yp a c k ，t h e r m a lm a n a g e m e n t ，h e a t ，c o o l i n g ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垄堑芝日期：幽：! 苎 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，i l p 学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的衅在解密后应遵守此规定) 签名i 磊趋竺导师签名：孑墨a 蚣日期：2 覃：! 兰 武汉理丁大学硕士学位论文 1 1 我国电动汽车的发展 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代开始的石油危机和环境问题使得我们汽车界的有识之士想起了几乎 被遗忘的既能解决能源问题又能解决环境问题的电动汽车，开始考虑汽车的发展前景 随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的 危害加剧，各国政府及汽车企业都普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻 方向，发展电动汽车将是解决这二个技术难点的最佳途径。 我国汽车工业是在2 0 世纪8 0 年代之后才开始发展，这时已经有了能源与环境两个 沉重的“包袱”。如今由美国次贷危机引起的全球性的金融海啸，以及随之而来的经 济危机，已经影响到全球的各个角落，严重侵蚀了包括汽车业在内的实体经济。在经 济危机和过去两年高油价的影响下，2 0 0 9 年底特律车展上，几乎所有全球汽车巨头们 都展示了未来几年将推出电动汽车。目前在中国，包括纯电动汽车在内的新能源汽车 发展一直是在政府的主导下进行：从“十五规划：到“十一五规划，中国政府对新能 源车的投入从8 亿人民币增长n 5 0 亿，涉及至u 2 0 0 多家整车厂，供应商和科研院所。本 土企业中，众多厂家都已经投入到电动车的研发中。而最新出台的汽车产业调整和 振兴规划则明确提出：在2 0 0 9 - 2 0 1 1 年间，要形成5 0 万辆纯电动、充电式混合动力和普 通型混合动力等新能源汽车产能，新能源汽车销量要占乘用车销售总量的5 左右。 1 2 电动汽车的分类与特点以及面临的主要问题 电动汽车是由电动机直接或由电动机参与驱动的汽车。根据电动汽车电能来源不 同可以将现代电动汽车分为三类：纯电动汽车( p e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、燃料电 池电动汽车( f c e v ) 。但是近几年在传统混合动力汽车的基础上，又出现一种外接充 电式( p l u g i n ) 混合动力汽车，简称p h e v 。 纯电动汽车：由动力蓄电池或其它易携带能量存储的装置( 如超级电容等) 提供 电力驱动的汽车。纯电动汽车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统和排气系统， 相比传统汽车的内燃汽油发动机动力系统，电动机和控制器的成本更低，且纯电动汽 车能量转换效率更高。电动车的能量来源电，来自大型发电机组，其效率是小型 汽油发动机是混合动力发动机所无法比拟的。目前，纯电动汽车技术基本成熟，但是 由于动力蓄电池的比能量、比功率较小、价格高、寿命短、外向尺寸和重量大、充电 时间长等问题，使得纯电动汽车的发展受到制约。 混合动力电动汽车：指具备两个以上动力源、而其中有一个可以释放电能的汽车。 武汉理工大学硕十学位论文 混合动力汽车按混合方式不同，可分为串联式、并联式和混联式三种；按混合度( 电 机功率与内燃机功率之比) 的不同，又可分为微混合、轻度混合和全混合三种。根据 研究表明，混合动力汽车的节油率几乎与汽车功率的混合度和汽车的生产成正比上升。 因此，从长远来看，研制全混合电动汽车是一种必然趋势。外接充电式混合动力汽车 ( p l u g - i ne l e c t r i cv e h i c l e ，p h e v ) 是最新的一代混合动力汽车类型，近年来受到各国 政府、汽车企业和研究机构的普遍关注，国内外专家认为，p h e v 有望在几年后得到广 泛的推广使用。 燃料电池电动汽车：采用燃料电池作为电源来提供电力驱动的汽车，f l p f u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l e ( f c e v ) 。燃料电池直接把燃料的化学能转化为电能，效率达到 6 0 9 6 8 0 ，是普通内燃机热效率的数倍。另外基于氢源的燃料电池技术，使电动汽车脱 离了传统的以电方式补充能量的方式，而采用加入“燃料的方式补充能源使电动汽 车使用范围不受充电设施的限制。但燃料电池耐久性寿命短，制造成本居高不下，对 工作环境的适应性很差。在目前燃料电池汽车的使用成本过于高昂，由燃料电池发动 机提供i k w h 电能的成本远高于各种动力电池，这从一个侧面反映了作为汽车动力源， 燃料电池汽车还有相当的距离。 各种电动车的特点比较： 纯电动汽车：所用能量完全是有汽车储能装聂电池包提供，由电机驱动。使用时零 排放，不依赖石油。但是一次充电里程不够长，电池包成本较高。 混合动力汽车：由内燃机和电池提供能量，由电机和内燃机驱动。不需要单独的 充电设备，但是仍然有废气排出，成本适中。 外接充电式混合动力汽车：由内燃机和电池提供能量，由电机和内燃机驱动。需 要专门的充电设备，只有没有电能的情况下使用石油，大大减少了石油的依赖性。但 是系统复杂，成本较高，应用有待发展。 燃料电池汽车：由燃料电池提供能量，电机驱动。技术有待发展，行驶里程长， 燃料效率高，无废气排放，但成本较高。 燃料电池汽车在成本和整体性能上，特别是行程和补充燃料时间上明显优于其他 电池的电动汽车，并且燃料电池所用的燃料( 甲醇、汽油、柴油、天然气等) 来源广 泛，又可再生，并可实现无污染、零排放等环保标准。燃料电池车的主动力是质子交 换膜燃料电池，辅助动力是锂离子电池。由于氢气的生产、储存和运输等问题尚未解 决，加之氢燃料电池本身的系统复杂性、氢基础设施的建设难度、铂资源的有限性以 及居高不下的成本，应用在电动车上障碍重重、时间漫长。可以说受限于技术和成本， 燃料电池的应用还有相当的距离。而纯电动汽车由于受限于蓄电池的性能，降低了汽 车的动力性和续驶里程的要求，充电过程比较简单，车速不高，较适合于市内或社区 小范围内使用。由于受到蓄电池性能的严重制约，使纯蓄电池型电动汽车的产业化进 2 武汉理工大学硕士学位论文 程举步维艰，于是混合动力汽车成了内燃机汽车和电动汽车之间的过渡产品，既充分 发挥了现有内燃机技术优势，又尽可能发挥电机驱动无污染的优势。混合动力汽车 ( h e v ) 将现有内燃机与一定的储能元器件通过先进控制系统相结合，可以大幅度降低 油耗，减少污染物排放，同时技术成熟、价格便宜。h e v 的主动力是内燃机，电池只是 回收汽车减速时的能量，不能外充电。h e v 在现阶段对于节油和环保有一定积极意义。 p h e v 是近期市场化的过渡选择。可以看出混合动力电动汽车是介于传统汽车与未来零 排放汽车之间。然而，从汽车工业发展的角度考虑，混合动力技术高度复杂，对我国 在核心技术上一直远远落后的汽车工业是巨大挑战。我国混合动力车在技术和经济上 不具备与日美欧的竞争优势。 由于锂离子电池的技术进步很快，电池组循环寿命已超过1 0 0 0 次，每千瓦时电池 的成本低于3 0 0 0 元。如果电动轿车安装2 4 千瓦时电池组，一次充电续驶里程大于2 0 0 公里，锂离子电池汽车在1 0 年内用电成本约为1 万元。传统燃油车在1 0 年内的加油费用 至少8 万元。即使1 0 年内更换一次电池，使用成本多花7 2 万元，总共8 2 万元。两种车 的使用成本基本相同，况且，换下来的电池组还有初始容量的7 0 8 0 ，可以作为静 态储能使用。目前随着性能优异的锂离子电池技术的发展，长远看来纯电动汽车是最 具有前途的产品。 各种电动汽车共有一样关键设备一动力蓄电池。美国通用、德尔福，日本索尼，法 国的$ h f r 等公司从事了大量的高能电池的研究和研制工作，大大的提高了电池的比能 量、比功率、使得蓄电池技术越来越能保证电动汽车的运行。 目前电动汽车面临的主要问题： 1 纯电动模式汽车续驶里程有限 目前市场上使用的纯电动汽车一次充电后的续驶里程一般为1 0 0 - - - , 3 0 0k m ，并且这 个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池调节系统才能得到保证，而 绝大多数纯电动汽车在一般行驶环境下的续驶里程只有5 0 - - 1 0 0k m 。比起传统燃油汽 车而言电动汽车的较短续驶里程成为其致命的弱点，这完全归咎于电池的蓄能能力。 2 蓄电池使用寿命太短 普通蓄电池充放电次数仅为3 0 0 - - - , 4 0 0 次，即使性能良好的蓄电池充放电次数也不 过7 0 0 - - - 9 0 0 次，按每年充放电2 0 0 次计算，一个蓄电池的寿命最多为4 年，与燃油汽 车的寿命相比太短。另外，不同类型的电池在性能方面都有各自的优势和不足，例如， 铅酸电池成本低，原材料丰富且易于回收，但是续驶里程短、加速动力差且寿命短。 镍镉电池加速动力足、寿命较长。但其成本高、可回收性差。钠硫电池的比能量较高， 能够提供较长的续驶里程。但它要求的工作环境较苛刻。且其沽性物质具有强腐化性 并易爆炸。整体而言，成熟电池的寿命都相对较短。目前随着电池技术的发展，重量 武汉理t 大学硕士学位论文 轻、储能大、功率大、无污染、无二次污染、自放电系数小、温度适应范围广的锂离 子电池是电动车较理想的蓄电池。锂离子电池技术给电动车提供了更广阔的发展空间。 3 蓄电池尺寸和质量的制约 现有纯电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和 质量。如果纯电动汽车自身装备质量大。就会影响加速性能和最大车速的提高。例如， 现有纯电动汽车电池的外体积一般要达到5 5 0l 。当把这么大体积的电池用于家庭轿 车上时，就必然要挤占轿车的行李厢空间。 4 电动汽车价格昂贵 主要是电池技术复杂，成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技术，致使 电动汽车的造价居高不下。电动汽车蓄电池的价格约为1 0 0 美元k w h ，甚至有的高 达3 5 0 美元k w h ，成本太高，用户难以承受。 5 间接污染严重 电动汽车本身虽无排放污染，但其间接污染也是不容忽视的。如铅酸电池中的铅， 从开采、冶炼到生产的排污，都会对环境造成污染。但是目前的锂离子电池是采用绿 色能源，无污染有较大优势，并且也无间接的二次污染，具有很广阔的应用前景。 综上分析我们可以看出制约电动汽车发展的主要瓶颈就是蓄电技术的发展。现阶 段要提高电动汽车的性能、寿命，降低它的成本，就必须提高蓄电池在电动汽车上使 用的性能，完善电池管理系统整体上提高电动汽车蓄能装置一电池包的性能就成为了至 关重要的一个手段。 1 3 电动汽车储能装置一电池包 传统的内燃机汽车上，所需要的蓄电池的电能容量较小，工作时间较短，作为辅 助设施的使用。但是在e v 、f c e v 、h e v 、p h e v 上，蓄电池能量是作为动力电源，必须是 具有强大能量的动力电池，且大量电池成组后才能提供足够能量。蓄电池除了作为驱 动力能源外，还要向空调系统、动力转向系统等设施提供电能。另一方面还要为点火 系统、照明、信号系统、刮水器和喷淋器以及车载娱乐和通讯设备等设施提供低压电 源。在e v 上蓄电池是唯一的电能源，用于动力驱动e v ，且为车辆上其它附属设施供电。 在f c e v 上蓄电池是辅助动力源，用于启动和车辆的低压电气系统。在h e v 上蓄电池是作 为发动机的辅助动力源，提高整车的动力性能并且当电动机驱动车辆时为电动机提供 电力能源。由于动力源能量要求较大，电池单体的需求数量也较大。就需要将电池单 体、模块以最有利于热管理的方式排列摆放固定在车辆上。电池包就是这样的一个元 件，它的设计要考虑到电池组的重量和体积在车辆空间上的分配，合理的装载电池单 体、模块，并且其中还有相应的管理控制监控设施结构为电池提供最优的工作环境， 同时检测控制电池组的正常运行。 4 武汉理工大学硕士学位论文 目前，电动汽车上普遍使用的蓄电池主要有铅酸蓄池、镍氢电池、和锂离子电池 等。所有这些电池作为汽车的动力源，虽然新品种不断出现，性能不断提高，技术不 断进步，但仍不能够完全满足纯电动汽车的使用需求，其存在的问题可归纳如下。能 量密度低；快速充电能力差，充电时间长：电池价格昂贵；且能量有限，汽车附件的 使用受到限制。随着技术的发展，电池性能已经取得长足进步，上述问题对纯电动车 的发展制约程度在不断降低。 电动车的能量需求较大，一般需要大量电池成组串联、并联以及混联的方式构成 电池模块，再组成电池包。电池单体是最基本的电池单元，为了方便安装、运输、使 用。一般采取将多个电池单体串并联形成电池模块。电池组大多是由模块构成，几乎 没有直接用电池单体构建的电池组。电动汽车上使用的动力电池都是电池组。电池模 块构成电池组的方式有串联、并联和同时采用串联和并联的混联方式。电池组的总功 率等于电池组输出的总电压和总电流的乘积，也等于构成电池组的各个模块的输出功 率的总和。电池单体、模块和电池组的性能有明显差异，从电池单体到电池模块再到 电池组，性能有明显衰减。衰减的主要原因主要来自于单体之间的不一致性。实际上 电池在车辆运行期间，会由于不一致性而不能正常工作，大大降低电池成组后的整体 性能。严重时导致充放电受影响，而且产生一系列安全隐患例如爆炸、泄露等，严重 影响电动车辆的行驶安全。 在使用电动汽车的动力电池时，须使电池工作在合理的电压，电流，温度范围内， 所以电动汽车的动力电池的使用都需要有效管理。电动车对于电池实施管理的具体设 备就是电池管理系统( b a t t e r ym a n a g e m e n ts y s t e m ，b m s ) 电池管理系统是电池组热 管理和s o c 估计等技术的应用平台。电池荷电状态s o c ( s t a t eo fc h a r g e ) 描述电池剩 余电量的数量，是电池使用过程的最重要的参数之一。电池管理系统的功能主要包括 数据采集、数据显示、状态估计、热管理、数据通信、安全管理、能量管理和事故诊 断。b m s 对于电池组的安全、优化使用和整车能量管理策略的执行都是必要的。所有电 动汽车都必须安装有b m s 电池管理系统的工作需要以一些关键技术为支撑，具体包括 s o c 估计、热管理、电量均衡和故障诊断，其中以s o c 估计和热管理最为核心。其中s o c 估计的准确性也与电池的热管理是否有效而密切相关。 综上所述，我们知道电动汽车电池单体的性能的提高很重要，但是装载电池的电 池包的设计也非常重要。电池成组的优化设计对于电池组整体的性能是非常重要的。 我们应该设计出合理的电池包结构以及电池包管理系统，大大的减少电池因为成组而 造成的功能衰减，减小电池成组后对电池一致性的影响。具体根据车辆上蓄电池运行 的特性，设计相应的管理措施保证电池能够在有效地最佳运行温度环境下运行。减小 电池成组以后温度环境等因素对电池的一致性的影响，迸而提高车辆电池包的性能。 武汉理丁大学硕士学位论文 1 4 电动汽车电池包国内外研究现状 电池包作为汽车上的动力源，为电动汽车提供运行所需的能量。它应该合理的设 计。除了选取合理的电池，还要设计合理的结构装载电池。同时能够有效地监测管理 电池的运行，从而保证电动汽车的正常运行。根据电动车辆类型的不同，电池包的结 构设计、所装载电池的选取、以及管理系统的设计都大不一样。目前国内外都在积极 地研发合理的电池包，提高电动车性能。除了需要电池研发专家提高单体电池的性能， 也需要我们车辆工程师合理的设计电池包结构装载电池组以提高电池成组后性能，保 证电池组能够适应车辆的实际运行模式，保证电池单体都在最佳的运行环境中使用并 且能发挥其最佳性能。 随着锂离子电池技术的发展，使得以前制约电动车发展的蓄电池的性能基本上能 满足电动车的行驶需要。锂离子蓄电池的比能量有了很大提高，生产电池的材料与蓄 电池的结构也取得了很大进步。使用新型电池的电动汽车的加速性能完全能达到或超 过今天燃油车的高水平。但是目前研究表明电池成组后性能衰减的厉害，导致电池组 中单体电池不能发挥出自己的最佳性能。再加上目前基于老旧类型电池的充放电技术， 以及没有良好的管理系统使得电池包性能受影响。电池的一致性是很大的问题，存在 着高回收率，且电池本身在生产出来时就存在着差异，容量充放电性能都不相同。将 电池成组后，电池组内电池性能不一致，随着时间的推移和使用次数的增多，电池间 的差异越来越大，由于电池一致性较差最后导致电池组整体性能大幅下降。因此国内 外目前除了在加紧研发新型电池技术外，还在积极的研究电池管理系统。其中很重要 的就是电池包的热管理系统，以及s o c 估计这两项核心技术。因为电池管理系统就是基 于s o c 估计以及电池热管理技术上的。从而来提高电池的一致性，增加电池包的寿命和 性能。其中电池包热管理对于电池的一致性影响较大，目前在电池包的设计中关注较 大。 美国再生能源实验室做了许多有关电动车能源储备的研发，并针对电动车适用的 锂离子做了相当多的研究和实验。并且运用相关计算机辅助工具和实验来分析研究电 池包的各种性能。同时也特别针对电池包热管理方面做了很多的研究。除了考虑到散 热设计，还考虑到电气设计分析与控制。美国能源实验室对电池的计算电气模型进行 了简化，已经开发出电池模型用于仿真计算。正在开发综合性的计算机辅助工程软件 工具来推进电池包的合理设计。 1 5 本文的研究内容，研究方法，研究意义 研究内容： 本文主要研究电动汽车电池包的热特性，并针对电池的选取，以及电池的热管理 6 武汉理工大学硕士学位论文 系统的设计做了相应的研究。并且主要针对目前电动汽车上广泛应用的锂离子电池， 讲述电动汽车锂离子电池包的设计。利用有限元的数值模拟模拟方法，分析锂离子电 池单体、模块以及整个电池包在电动车各种运行情况下的发热情况。并根据仿真分析 各种散热加热设计的效率，模拟电池包温度场，仿真电池运行温度环境，为电池包的 散热加热温度环境控制系统的设计提供参考。介绍了完整有序科学的电池包热管理设 计方法。 研究方法： 采用理论分析、计算机仿真与试验相结合的方法，运用a n s y s 对电池包模块进行温 度场分析模拟。针对不同情况下电池的发热状态分析其温度场，并分析电池包热管理 系统，考虑到实际运行可行性采取有效的加热散热措施，保证电池在最适应的温度下 工作，研究整个电池包热管理的优化设计。 研究意义： 电池包的热管理是电池正常运行必不可少的。本文研究电动汽车的电池包的特性， 并针对目前最具有应用前景的锂离子电池包的热场温度场进行仿真研究，并提出合理 的有效地的科学的电池包热管理设计方法。对于目前电动车电池包的设计很具有参考 意义。 7 武汉理1 大学硕士学位论文 第二章电动汽车动力系统储能装置一电池包 2 1 电池包的设计选取 电动汽车电池包根据电动汽车的实际需求来设计的。设计中有很多影响因素，例 如电池的形状数量、车上可装载电池的空间、以及车体的质量平衡等因素，还有要避 免由于质量分布对车辆转向稳定性等造成一定影响等等。 电池包的结构有很大的多样性，这主要取决于；所选取电池的种类繁多；电池的形 状大小不一：不同车辆上需求的电池数量不一；车辆上的有效装载电池的空间不同；单体 电池组成模块的方式不同；还有要考率到散热加热设计等等因素，使得电池包形状各 异。我们在设计电池包时，主要是根据所选取电池的形状、数量，以及合理的排列摆 放方式，以及车辆上的有效装载宅间来确定的。 211 电池包在车辆上的位置 混合动力，纯电动汽车，由于其动力总成的结构不一样。在安排电池包在车辆上的 位置时，要考虑到整车的质量均衡。车辆动力总成的布置有很多种，电池包在车辆上 的位置也随着变化。例如有的电池包放在后备箱或是地板地下，也有放在车前箱。而 对于非乘用车，电池包的位置更加多样化。例如电动公交车，所需要的电池包就有的 放置在车顶上。 图2 一l 电池包在车辆上的位置 武汉理工大学硕士学侍论文 21 2 电池包形状及构造 一般电池包是由许多个模块或单个电池组成。一个模块又由多个单电池组成。电 池装载在一个有电子和热控制的箱体中，这个箱体内还有整个电弛系统与车辆其它组 成部分的接口设施以及电池管理系统。每个模块也有其适当的包装、热控制和机械或 电子设备。这个装载有电池、热控制和电子设备以及装载其它部件的箱体整体就是我 们通常所说的电池包。 电池包由于所组成的电池形状各异，还有电池数量不一，排列摆放的方式不同， 加之电池包中电池固定的方式，以及散热通风管路系统的设计不同，以及受车辆摆放 电池包的有效空间影响等等使得电池包的形状各不相同。 各种各样的电池包构造如下图所示： p 罚霸l 髂 u 髫 2 0 0 9 n i s s a n e v 电池包h o n d a - e v 电池包 0 。i 二 圈铲潞驴 大型e vl i f e p 0 4 电池包h e v 电池包锂离子电池包 圆2 - j 警。：霹 e n e r g y ( ? s 电池包大型电池包 图2 - 2 各种电池包的构造 其实根据车辆实际需求单体电池组成模块的数目模式各不相同。即使是在同样位 簧f i 勺电池包，其内部电池的摆放方式也可能不一样。有的电池包摆放分为两层，有的 武汉理_ 大学硕士学位论文 摆放为一层。具体排列摆放的方式，也有的纵有的横。再者电池的形状尺寸各异，考 虑到电池包的通风散热要设计风道，由模块组成电池包就差异更大了。电池包结构上 不定是长方形，可以有很多形状，可以是一个也可以是两个。可以装载有控制系统 集成的整体箱体，也可是和管理系统控制系统等分开的。电池包中电池管理系统控制 系统的设计和它们在电池包中的具体位置一样也不相同。同时电池包除了其装载固定 电池的作用外。还起着要起到密封，防水，保护电池免受外界冲击，免受外界热量干 扰等等功能。为使电池组发挥最佳的性能，减少其它由于在车辆上的应用而产生的不 利因素的影响。根据在车上运行的具体情况而定。加上在车辆上可以装载的空间位置 不一，导致电池包的电池包的结构具有很大的多样性。 2 2 电动车电池包中电池 2 2 1 动力电池的基本术语 ( 1 ) 电池的放电制度 电池的放电制度是指放电率、放电形式( 恒流、变流或脉冲) 、终止电压和温度。终 止电压指充放电结束时的电池电压，分为充电终止电压和放电终止电压。 ( 2 ) 电池的容量 电池的容量是指充满电的电池在指定的条件下放电至终止电压时输出的电量，单 位为a h 。 ( 3 ) 电池的能量 电池的能量是指在按一定标准所规定的放电制度下，电池所输出的电能，单位为 瓦时( w h ) 或千瓦时( k w h ) 。 ( 4 ) f 皂量密度 电池的能量密度有质量能量密度和体积能量密度之分。质量能量密度是指电池单 位质量所能输出的电能，单位为瓦时千克( w r e k g ) 。体积能量密度是指电池单位体积 所能输出的电能，单位为瓦时升( w h l ) 。 ( 5 ) 电池的功率与功率密度 电池的功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为瓦( 、聊 或千瓦( k v o 。单位质量的电池输出的功率称为质量功率密度，单位为w k g 。单位体积 的电池输出的功率称为体积功率密度，单位为w l a 。 ( 6 ) 电池的荷电状态 电池的荷电状态( s t a t eo f c h a r g e ，s o c ) 描述电池剩余容量占额定容量的百分比。工 作过程中电池的荷电状态由式( 2 1 ) 计算。 1 0 武汉理丁大学硕士学位论文 舳c ：舳g + l l 。b a f l t 1 0 0 ( 2 一1 ) 式中，s o c o 为电池的初始s o c ；i b a , 为t 时刻电池的工作电流，充电时为正，放电 时为负；t 为充放电时间；c 为电池的额定容量，a o h 。 ( 7 ) 放电深度( d e p t ho fd i s c h a r g e ，d o d ) d o d 是电池已经放出的电量与电池额定容量的比值，其数学表达式为 d o d ：l o o 一s o c o ：1 0 0 一s o c o 一羔! 兰：竺1 0 0 式中， i 搬、t 和c 与( 2 1 ) 中相同。 ( 8 ) 电池的循环使用寿命( c y c l el i f e ) 电池的循环使用寿命是指以电池充电和放电一次为一个循环，按一定测试标准， 当电池容量降到某一规定值( 我国标准规定为额定值的8 0 ) 以前，电池经历的充放电循 环总次数。 ( 9 ) 抗滥用能力( a b u s et o l e r a n c e ) 指电池对短路、过充、过放、机械振动、撞击、挤压以及遭受高温和着火等非正 常使用情况的容忍程度。 2 2 2 不同电动车辆对电池性能的要求 电动车辆对电池性能由于不同种类电动汽车的构型和工作模式不同，对动力电池 的要求也不一样。 ( 1 ) 纯电动汽车对电池的工作要求 纯电动汽车行驶完全依赖电池的能量，电池容量越大，可以实现的续驶里程越长， 但所需电池包体积、重量也越大。纯电动汽车要根据设计目标、道路情况和行驶工况 的不同来选配电池。 电池组要有足够的能量和容量。 电池要能够实现深度放电( 例如8 0 ) 而不影响其寿命，在必要时能实现满负荷功 率和全放电。 需要安装电池管理系统和热管理系统，显示电池组的剩余电量和实现温度控制。 由于动力电池组体积和质量大，电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题都 需要认真研究。 ( 2 ) 混合动力汽车对电池的工作要求 与纯电动汽车相比，混合动力汽车对电池的容量要求有所降低，但要能够根据整 车要求实时提供更大的瞬时功率，即要实现“小电池提供大电流”。 由于混合动力汽车构型的不同，串联式和并联式混合动力汽车对电池的要求又有 武汉理下大学硕士学位论文 差别。 串联式混合动力汽车完全由电机驱动，内燃机发电机总成与电池组一起提供电 机需要的电能，电池s o c 处于较高的水平，对电池的要求与纯电动汽车相似，但容量 要小一些。 并联式混合动力汽车内燃机和电机都可直接对车轮提供驱动力，整车的驾驶需 求可以由不同的动力组合结构来满足。动力电池的容量可以更小，但是电池组瞬时提 供的功率要满足汽车加速或爬坡要求，电池的最大放电电流有时可能高达2 0 c 以上。 在不同类型的混合动力汽车上，由于工作环境、汽车构型、工作模式的复杂性， 对混合动力汽车用动力电池提出统一的要求是比较困难的，但一些典型、共性的要求 可以归纳如下。 1 ) 电池的峰值功率要大，能短时大功率充放电。 2 ) 循环寿命要长，达到l o o o 次以上的深度放电循环和4 0 万次以上的浅度放电 循环。 3 ) 电池的s o c 应尽可能保持在5 0 8 5 的范围内。 4 ) 需要配备电池管理系统和热管理系统。 ( 3 ) 可外接充电式混合动力汽车( p h e v ) 对电池的工作要求 p h e v 对动力电池的要求要兼顾纯电动和混合动力两种模式。如下图所示，p h e v 在设计上既要实现城市里以纯电动汽车模式的行驶又要实现在高速公路上以混合动力 汽车模式的行驶( 电池电量也在消耗) 。p h e v 期望纯电动工作模式的行驶里程达到几十 公里，而且期望电池在低s o c 时也能提供很高的功率水平。 图2 3p h e v 、e v 和h e v 对电池要求的差别 上图给出了p h e v 、e v 和h e v 对电池的要求在功率密度和能量密度上的差别。 而从成本角度来讲，由于电池成本高，p h e v 的售价会比传统汽车和无纯电动里程的 混合动力汽车高，用户也会期望p h e v 电池性能好，寿命长。可见，p h e v 对电池的 要求才是非常高的。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 电动车用电池的应用发展，以及主要种类及问题 随着2 0 世纪8 0 年代镍氢电池问世以及2 0 世纪9 0 年代锂离子电池出现，电池的性能 和寿命已经有了很大进步。同时，电池从研制成功到规模化生产的周期也大大缩短。 至今，在电动汽车上普遍使用的电池有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等。铅酸电 池由于结构坚固安全耐用、使用寿命长、价格低廉，在被发明后的近一个世纪里曾是 电动车辆动力电源的首选方案。但是由于电池能量密度和功率密度较小，造成电池组 重量和体积过大，在电动汽车上的使用日益减少。镍氢电池的能量密度和功率密度优 于铅酸电池和镍镉电池，正日益被纯电动汽车和混合动力汽车普遍使用。镍镉电池由 于会造成二次污染现在已经停止使用。锂离子电池性能优于镍氢电池，近年来越来越 引人关注，在电动汽车上的应用也越来越多。所有这些电池作为汽车动力源，虽然新 品种不断出现，性能不断提高，技术不断进步，但仍不能完全满足电动汽车的使用要 求，其存在问题可归纳如下。 ( 1 ) 能量密度低 电池质量能量密度和体积能量密度都很低，其中铅酸电池质量能量密度为 3 5 4 0 w - h k g 。锂离子电池质量能量密度可达1 5 0 w h k g ，而汽油则为 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 w h k g 。一辆小汽车携带5 0 埏的汽油可以行驶6 0 0 k m 以上，而同类型的电 动汽车携带4 0 0 k g 的铅酸电池一次充