（信号与信息处理专业论文）电动汽车锂动力电池组热管理系统研究与应用.pdf

a b s t r a c t i nt h ef a c eo f t r a d i t i o n a lf u e la u t o m o b i l e ，m o r ea n dm o r es e r i o u sc r i s i so f r e s o u r c e s a n dt h ep o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n t ，t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l ei s t h em a j o ri s s u ef a c i n gt h ei n d u s t r ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，t h ek e y f a c t o r w h i c hr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l ei st h ep o w e rb a t t e r y , d u et o t h e b a t t e r yw h e nt h et e m p e r a t u r ee l e v a t i o ni n d u c e db ym o n o m e rb a t t e r yu n e v e n t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，i tw i l ls h o r tb a t t e r yl i f ea n dr e d u c et h ec e l lp e r f o r m a n c e t h e e f f e c t i v em e t h o dt os o l v et h eb a t t e r yt e m p e r a t u r ei m b a l a n c ei sj o i n i n gb a t t e r yt h e r m a l m a n a g e m e n ts y s t e mi nt h eb a t t e r yb o x ，a n di ti sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h e s a f e t ya n dr e l i a b l eo p e r a t i o no f t h ee l e c t r i cv e h i c l e t h i sp a p e rm a i n l yf r o mt h e f o l l o w i n ga s p e c t st h a tt h eb a t t e r yt h e r m a lm a n a g e m e n t s y s t e mw e r ei n t r o d u c e da n dt h er e s e a r c h , b a s i cc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d yo nt h et h e r m a lp r o p e r t i e so fl i t h i u m - i o nb a t t e r ya n dh e a tg e n e r a t i o n m e c h a n i s m ( 2 ) e s t a b l i s ht h el i t h i u m i o nb a t t e r yt h e r m a lm a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n d u c tt h e t h e r m a lp e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n a l y s i s ，o b t a i nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n d e rt h e s i t u a t i o nt h a tt h eb a t t e r yb o x c h a r g ea n dd i s c h a r g e ( 3 ) o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i si nt h eb a t t e r yp a c kh e a t ，c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a l n e e d so ft h ed e s i g no ft h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e ms c h e m e ( 4 ) a p p l i c a t i o no ff l u e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r ef o rb a t t e r yb o xc o o l i n ge f f e c tt h a t p r o v e si t sr a t i o n a l i t y ( 5 ) t h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h eb a t t e r y g r o u pa c t u a lt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t n b u t i o na n dt h es i t u a t i o no ft h et e m p e r a t u r er i s e ， s h o wt h ef e a s 而i l i t yo ft h es c h e m e ，a n db ea i m e da tt h ei n a d e q u a c yo f e x i s t e n c e ，p u t f o r w a r dt h ec o n c l u s i o na n d p r o s p e c t 一 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o np u t t i n gf o r w a r dak i n do f b a t t e r yb o x h e a th e a t i n gs o l u t i o nw h i c ht h r o u g ht h eg a t e t y p eo u t l e ta i rc o o l i n gm e t h o d ，t h i si sa g o o ds o l u t i o nf o rt h ei n c r e a s e dc o s to fu s i n gb r i n gb yt h ei n c o n s i s t e n c yo ft h eb a t t e r y p a c k s t e m p e r a t u r e ，w h i c hh a v eh i g hp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et ot 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 k e yw o r d s ：t h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e m ；l i t h i u m i o nb a t t e r y ；t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ； t h eb a t t e r yb o xd e s i g n 一 黑龙江大学硕士学位论文 iii i i ii ii ；i i 目录 中文摘要i a b s t r a c t - i i 第1 章绪论i 1 1 我国电动汽车的发展现状1 1 2 电动汽车动力蓄电池的分类及特点一2 1 3 电池管理系统在电动汽车中的作用一3 1 4 电动汽车电池箱国内外研究现状4 1 5 本文主要研究内容和组织结构5 第2 章锂离子电池组热特性研究7 2 1 锂离子电池的特性7 2 1 1 锂离子电池的基本性能指标7 2 ，1 2 锂离子电池的分类、结构8 2 1 3 锂离子电池的安全性一9 2 1 4 磷酸铁锂动力电池的生热机理l o 2 2 电池箱中锂离子电池组热特性分析l l 2 3 锂离子电池组热管理系统的研究1 3 2 3 1 电池组热管理系统的主要功能1 3 2 3 ，2 电池组热管理系统的分类及特点1 4 2 4 本章小结一1 5 第3 章锂动力电池热性能仿真分析1 6 3 1 对单体锂离子电池建立热数学模型1 6 3 1 1 定义锂离子电池1 6 目录 3 1 2 导热微分方程的推导1 7 3 1 3 单值性条件2 0 3 2a n s y s 有限元热性能仿真软件一2 1 3 3 单体锂离子电池的建模热分析2 2 3 3 1 根据实际情况进行模型分析1 6 3 3 。2 电池参数及模型计算2 0 3 3 3 建立三维模型网格图2 6 3 3 4 相同环境温度下单体锂电池不同倍率恒流放电温升比较分析2 6 3 3 5 不同环境温度下单体锂电池相同倍率1 c 恒流放电温升比较分析- 3 0 3 4 锂离子电池组模块建模热分析3 6 3 5 仿真结果分析一3 9 3 6 本章小结一4 l 第4 章电池箱热管理方案的设计与制作4 2 4 1 热管理方案的硬件框图4 2 4 2 硬件电路的简介一4 3 4 2 1 控制单元( m c u ) 4 3 4 2 2 温度采集单元4 3 4 2 3 通讯单元和风扇调节单元一4 5 4 2 4 电池箱设计与构造4 6 4 3 本章小结一5 7 第5 章实验与数据分析5 8 5 1 实验平台的建立一5 8 5 2 典型工况的实时监控试验一6 0 5 3 实验结果分析一6 4 5 4 本章小结6 7 黑龙江大学硕士学位论文 结 论一6 8 参考文献6 9 致谢7 5 独创性声明7 6 一v l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 我国电动汽车的发展现状 当今，我国的传统燃油汽车已经大范围普及，家庭汽车拥有数量正呈高速增 长的趋势。然而，面对日趋严重的资源危机和环境污染，人们正努力寻找替代传 统燃油汽车的产品。因此，从节能环保以及国家经济稳定、可持续发展的角度考 虑，研究和开发电动汽车是汽车行业面临的重大课题2 1 。 我国电动汽车行业的发展比美国、日本、欧盟等发达国家晚了2 0 多年的时间， 大致经历了三个历史阶段【3 】： ( 一) 第一阶段，2 0 0 1 年以前的初始阶段。这一阶段国内各汽车企业集团并 没有过多的投入到电动汽车研究开发中，直到“九五”时期，我国政府才认识到 发展电动汽车的重要性，并启动了电动汽车国家重大科技产业工程项目，奠定了 电动汽车的发展基础。 ( - - ) 第二阶段，2 0 0 1 年9 月到2 0 0 7 年1 1 月的研发培育阶段。国家科学技 术部通过了8 6 3 计划“电动汽车重大科技专项”可行性评估报告。我国电动汽车 研发项目正式启动，取得了一系列关键技术的研发进展，不仅初步完成样车试制， 若干个品牌的电动客车、电动轿车进行了小规模示范运行，基本上完成了商业化 的前期准备工作，夯实了电动汽车进入市场化的基础。 ( 三) 第三阶段，正式实施新能源汽车生产准入管理规则。随着8 6 3 计划 取得成果的陆续产业化，以中国一汽、奇瑞汽车、长安汽车、比亚迪汽车为代表 的自主创新的电动汽车上市销售。同时我国政府密集出台政策，积极推动电动汽 车行业发展，预示电动汽车行业即将迎来规模发展，加速进入产业化、商业化阶 段。 目前，电动汽车按照技术的发展方向可分为纯电动汽车( p e 、混合动力汽车 ( h e v ) 和燃料电池电动汽车( v c v ) t 4 】f 5 】。电动汽车类型特点如表1 - 1 。 黑龙江大学硕士学位论文 表1 1 电动汽车三种类型特点 t a b l e1 1t h r e et y p e so fe l e c t r i cv e h i c l e 类型特点 只使用电池能量驱动，不使用燃油，属于零排放汽车。但对基础 纯电动汽车 设施要求较高，成本相对较高，续驶里程短。 同时使用电池驱动和传统内燃机驱动的汽车，两种动力协调工作， 混合动力汽车 效率可提高一倍。但结构复杂，技术较难，价格较高，无法摆脱 对石油资源的依赖。 使用氢气、甲醇等作燃料，其排放物为水。是传统燃料汽车最好 燃料电池电动汽车 的替代物，目前还处于研发试验阶段。 1 2 电动汽车动力蓄电池的分类及特点 目前电动汽车动力蓄电池是制约其发展的关键性因素 6 1 ，整车的动力性能、续 航里程、电力驱动等都由动力蓄电池的性能所决定，因此对于电动汽车的科技研 发程度，最重要的就在于车载动力电池的科技研发程度。 依据动力蓄电池的应用原理、制作材料等的不同，国内外研究比较热点的动 力蓄电池分为铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池【7 卜【9 】： 1 、铅酸蓄电池 铅酸蓄电池技术比较成熟，是被国内外开发最早并普遍使用的一种车载动力 电池。具有可靠性较好，原料易得，价格便宜，无记忆效应，安全性较高，回收 技术成熟等优点。但由于其比能量较低，质量体积较大，循环寿命较短，污染较 大等因素越来越不能适应现代化电动汽车行业需要，不过在纯电动汽车应用领域 仍然占据比较大的市场份额。 2 、镍镉蓄电池 镍镉蓄电池在1 8 9 9 年业已发明，真正被应用却是在1 9 4 7 年。可以说镍镉蓄 电池是一种高性能和高可靠性的蓄电池，因其比能量高，循环寿命长，可耐过充、 第1 章绪论 i| 过放等优点一直应用至今。但其购置成本较高，有记忆效应，并且镉的污染问题 严重制约了它的发展，因此国内外普遍建议寻找其他动力蓄电池来逐渐取代镍镉 蓄电池的地位。 3 、镍氢蓄电池 镍氢蓄电池是9 0 年代发展起来的一种新型碱性电池，和同体积的镍镉蓄电池 相比其容量增加一倍，同样比能量较高，循环寿命较长，荠且没有重金属带来的 污染，是比较环保的一种动力蓄电池。镍氢蓄电池可耐过充电和过放电的特性使 其可以带电快速充电，可以说未来的发展具有一定优势。但目前镍氢蓄电池的技 术还不成熟，应用还不广泛。 4 、锂离子电池 锂离子电池在1 9 5 8 年出现以后，2 0 世纪7 0 年代逐渐进入重要发展时期。锂离 子电池以其重量轻、体积小、比能量高、比功率大、自放电少、无污染、无记忆 效应、循环特性好等优点，逐渐代替传统的铅酸、镍镉、镍氢等蓄电池成为电动 汽车动力电源的首选。但锂离子电池的一些技术难关还没有突破，不耐过充、过 放，快速充放电性能差等缺点阻碍了锂离子电池的发展。 表1 2 为几种电动汽车动力蓄电池的性能比较： 表i - 2 各种蓄电池性能对比 t a b l e1 - 2c o m p a r i s o no fd i f f e r e n tp o w e rb a t t e r i e s 1 3 电池管理系统在电动汽车中的作用 目前，电池管理系统( b m s ) 已经成为电动汽车中最重要的一部分，主要是动 黑龙江大学硕士学位论文 i i i ；置宣i i i ；i i i i i i 岛蔷i i i i i ；i i i i i i ；i 奄i 宣i i i 蔷 态监控储能元件电池箱中的动力电池组的各种运行情况，包括动力电池组荷电状 态的精确估测、实现动力电池组在充放电时能量的均衡和电池箱中动力电池组的 热管理系统三部分【10 1 。电池管理系统在电动汽车中主要起到以下三个作用： ( 1 ) 动力电池组荷电状态的精确估n ( s o c ) 。可以实时精确预测电动汽车储能 蓄电池的荷电状态或者储能蓄电池可输出能量。 ( 2 ) 实现动力电池组在充放电时能量的均衡。有效的均衡策略可以提高动力蓄 电池组的容量和单体电池间的一致性，减少相互的性能差异1 1 】，延长其循环使用 寿命，在充电和放电时能同时充满和放尽，并实时采集动力电池组单只蓄电池的 端电压、荷电量、容量和温度。在动力蓄电池电量过低或过量充电时，能及时报 警，进行电量均衡。 ( 3 ) 电池箱热管理系统。主要通过冷却系统和加温装置来调节电池箱中的温度 使电池组工作在适当的温度环境中。通过电池箱中电池的摆放方式和温度传感器 的设置，实时分析电池箱中各个温度点的温度数据，控制报警装置开合风扇等冷 却系统，使电池组达到快速散热和热均衡的功效【12 1 。 1 4 电动汽车电池箱国内外研究现状 电动汽车电池箱作为电动汽车上的动力源载体，是热管理系统设计中关键的 环【l 引。除了选取的动力蓄电池尽量保持一致性，还要设计合理的载体装载蓄电 池。同时能够准确的监控电池箱内环境，保证电池组正常工作，从而给电动汽车 的运行提供足够的动力。根据电动汽车类型和电池箱装载位置的不同，电池箱整 体的结构设计、所装载的动力蓄电池的型号、以及所采取的设计方式都有很大的 不刚14 1 。 目前，国内外都认识到了热管理系统的重要性，都在积极研发合理的电池箱 以减少动力蓄电池的畿量损耗和提高电动汽车性能【b 】。如清华大学、上海交通大 学、汕头国家电动汽车示范运行管理中心等从单体蓄电池基本热性能的研究到电 池箱内温度环境的模拟、实际测量方法都有了很深的研究。美国再生能源实验室 第l 章绪论 i i 应用了许多计算机辅助工具和多项测试研究分析了电动汽车电池箱的组织结构和 冷却方式，做了许多有关电动汽车能源储备的研发，从散热设计、温度分析与控 制等方面对电池箱热管理系统的设计进行了很多的研列1 6 】【1 7 1 。 但电动汽车电池箱的技术还不完善，特别是电池箱中热均衡技术效果不是很 理想。目前，电动汽车电池箱的设计方法正朝着规模化生产的方向发展，在车载 锂离子电池箱的工程应用中，越来越注重电池箱的重量和体积，成本和安全性， 热均衡的效率以及热均衡的效果。但在实际工作过程中影响电池箱中动力电池组 单体电池间不一致性的因素是多变量、非线性和不可完全预知性的，以及热管理 系统的设计缺乏理论上的支撑，使得电池箱的热管理技术发展较为缓慢，国内外 都正处在探索阶段【1 8 1 。 1 5 本文主要研究内容和组织结构 本文的主要内容如下： 第1 章，绪论。本章概述了课题的研究背景和研究意义，综述了热管理系统 的作用，并给出了本论文的主要研究内容和组织结构。 第2 章，锂离子电池组热特性研究。对电动汽车锂离子电池的基本性能指标 进行充分分析，研究锂离子电池的热特性、发热机理。 第3 章，锂动力电池热性能仿真分析。通过建立单体锂离子电池热数学模型 来对电池热性能进行仿真，并对单体锂离子电池在不同温度下以相同放电速率以 及相同温度下以不同放电速率对电池性能的影响进行分析对比。分析整个电池组 温度场的分布情况。 第4 章，电池箱热管理方案的设计与制作。设计进、出气阀门和气扇的控制 系统，并根据仿真来模拟散热系统设计是否合理，完成电池箱环境温度控制系统 的设计。 第5 章，实验与数据分析。对电池箱内部电池组进行模拟行驶典型工况的充 放电试验，利用多点温度传感器测量出电池箱内部典型点位的温度。根据温度仿 黑龙江大学硕士学位论文 真及测试结果，设计出可进行有效温度均衡及控制的电池组温度管理系统方案， 再进行试制，实测验证。 论文的组织结构图如图l 一1 所示。 图1 1 论文组织结构图 f i g u r e1 1b l o c kd i a g r a mo ft h i sa r t i c l e 第2 章锂离子电池组热特性研究 第2 章锂离子电池组热特性研究 锂离子电池在2 0 世纪8 0 年代开始迅猛发展起来【1 9 1 ，开发的产品种类也不断 增多，对锂离子电池的各种正极材料、负极材料及电解液的研究有了很大进展。 特别在动力电源方向的广泛应用，逐渐代替传统的铅酸、镍镉、镍氢等蓄电池成 为电动汽车动力电源的首选f 2 0 1 。 2 1 锂离子电池的特性 2 1 1 锂离子电池的基本性能指标 电动汽车动力蓄电池的选取主要依据其基本性能指标2 1 卜【2 4 1 ，而作为电动汽车 蓄电池研究前沿的锂离子电池基本性能有其显著优势。 1 、质量容量曲高。锂离子电池的质量容量一般可达1 2 5 w h k g ，为镍镉 蓄电池、镍氢蓄电池的2 3 倍。因此在容量相同的动力蓄电池中，锂离子电池的 重量要低很多。 2 、体积容量( w h c m 3 ) 高。锂离子电池的体积容量一般可达3 0 0w h c l n 3 ，同样 为镍镉蓄电池、镍氢蓄电池的2 3 倍。因此在容量相同的动力蓄电池中，锂离子 电池的尺寸要小很多。 3 、输出电压高，为3 8 v 左右，而镍镉蓄电池、镍氢蓄电池的输出电压均是 1 2 v ，大约3 倍。所以锂离子电池组合成电池组更容易获取更高的电压。输出功 率也更高。 4 、自放电率少，又称作电荷保持率，即锂离子电池静置不用自动放电的量， 一般在1 0 以下，不到镍镉蓄电池、镍氢蓄电池的一半。 5 、循环使用次数多。锂离子电池充放电次数一般可达到1 2 0 0 次左右，甚至 最长的能达到3 0 0 0 次。 黑龙江大学硕士学位论文 6 、没有记忆效应，可以随时充电。这样就可以使锂离子电池充电充分，电池 利用率增强，可以避免电池容量使用了一半而不得不放完电再充电的状况。 7 、充放电速度快，降低了充放电损耗的能量。 8 、适宜工作的环境温度范围较宽。锂离子电池一般工作在一2 5 c 7 0 。c 之间能 够有效利用蓄电池的能量，至少可以释放出9 0 以上的能量，具有优良的高、低 温工作性能。 9 、锂离子电池可以算作真正的绿色电池，无污染。 2 1 2 锂离子电池的分类、结构 1 、锂离子电池的种类 锂离子电池的分类依据很多，依据锂离子电池正极材料的不同，锂离子电池 可以分为层状结构的l i c 0 0 2 、l i n i c h 、l i v 0 2 ，尖晶石结构的l i m m 0 4 和橄榄石 结构的l i f e p 0 4 几类。依据锂离子电池电解质材料的不同，锂离子电池可以分为液 态锂离子电池( 1 i t h i u m i o nb a t t e r y ，简称为l i b ) 和聚合物锂离子电池( p o l y m e r l i t h i u m - i o nb a t t e r y ，简称为l i n 两类【2 5 】。 液态锂离子电池就是人们通常所说的锂离子电池，是最早开发的锂动力电池， 其电解液主要是液态的，具有较高的端电压，较长的循环寿命，快速充放电电压 平稳和清洁无污染，但液态的电解质容易漏液，安全稳定性相对较差。上世纪9 0 年代出现的聚合物锂离子电池是对液态锂离子电池的创新开发，其电解液可以是 “固态”的或者是“凝胶状”的，不但具有液态锂离子电池的性能优势，同时也 消除了电解质不稳定的安全隐患，外形更方便、结构更灵活、重量更轻巧。聚合 物锂离子电池大致可分为固体聚合物电解质锂离子电池、凝胶聚合物电解质锂离 子电池和聚合物正极材料锂离子电池三类。 2 、锂离子电池的结构 磷酸铁锂动力电池内部结构如图2 一l 所示。电池的正极是由橄榄石结构的 l i f e p 0 4 连接上铝箔组成的，中间的隔膜是由特殊聚合物制成，隔离开正极区域与 第2 章锂离子电池组热特性研究 负极区域，这层聚合物隔膜的作用是让锂离子( l i + ) 可以自由通过而电子( e 一) 不能 通过，电池的负极是由石墨与铜箔相连组成的，电池中的其他空间由电解质填充， 外部由铝金属壳封闭包装2 6 】【2 7 】。 正极 c 铝箔)囝 屈 图2 1 锂离子电池结构图 f i g u r e 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fl i t h i u m - i o nb a t t e r y 锂离子电池工作时充放电原理是：充电时，锂离子在电场作用下从正极的锂 氧化物中脱出，经过聚合物隔膜，在负极遇到电子形成锂原子，嵌入到石墨材料 中，锂离子的嵌入量和电池充电容量成正比；放电时，锂离子从负极的石墨材料 中迁出，经过聚合物隔膜到达正极，回到正极的锂离子数量与电池放电容量成正 比。因此锂离子电池充放电过程就是锂离子在负极的嵌入和迁出来实现的，因此 锂离子电池又称为摇椅电池”【2 8 】 2 9 1 。 2 1 3 锂离子电池的安全性 与以往传统电池所不同的是，锂离子电池的安全性是一个突出问题3 0 1 。锂离 子电池在充放电过程中会产生一定的热量，如果产生的热量不能有效放出，会使 电池局部产生高温，而超过电池允许的正常温度上限，电池可能会出现漏液、冒 黑龙江大学硕士学位论文 烟等不良现象，严重时发生故障，影响汽车的正常行驶甚至给司乘人员带来安全 危害或财产损失。 锂离子电池的安全性研究实质主要集中在热源分析及热均衡与热排放，目的 就是对锂离子电池热失控的有效措施。一方面耍积极研发稳定的正极材料和电解 液，避免充放电时发生化学反应放出大量热，引起热失控，从根源上降低危害的 发生。另一方面合理的设计热管理系统，从单体电池的热量生成到电池组的生热 分析，都能实时显示电池箱中的热情况，及时控制热失控的发生。 目前，国内外的电池生产商都非常关注锂离子电池的安全性闷题，统一制定 了更加完善科学的电池生产标准。随着科学技术的进步，锂离子电池的设计、检 测、制造和管理都更加受重视，未来的锂离子电池会越加安全【3 1 】。 2 1 4 磷酸铁锂动力电池的生热机理 动力电池内部单位体积的热生成率是磷酸铁锂电池热分析的重要指标，是建 立动力电池热模型的关键数据，而热生成率的准确获取必须通过动力电池生热机 理的研究深入分析。磷酸铁锂动力电池的生热量主要由反应热q 、极化热q 2 、焦 耳热q 3 和分解热q 4 四部分组成3 2 1 。 反应热q 是指动力电池内部在充放电时发生的电化学反应产生的热量，这部 分热量在电池充电时电化学反应吸收热量，值为负；放电时电化学反应释放热量， 值为正。磷酸铁锂动力电池电化学反应式3 3 1 3 4 1 如式( 2 1 ) 所示： l i f e p 0 4 + 6 力c 案l i o _ , , ) f e p 0 4 + n l i c 6 - q ( 2 - i ) q 1 = 3 6 0 0 * j 木q f( 2 - 2 ) 式中q 为电化学反应中正负极动态生热量的代数和，单位k j m o l ；1 为放电电流， 单位a ；，为法拉第常数，9 6 4 8 4 5 c t o o l 。 极化热q 2 的产生主要是由电池极化电阻引起的，而极化电阻由欧姆极化、电 第2 章锂离子电池组热特性研究 化学极化及浓差极化电阻三个部分组成。当电池充放电时，电流流过电池，电池 的极化电阻消耗了电压，使电池内部的平均电压不同于开路电压，从而导致产生 了热量，极化热始终为正值。 q 2 = ，2 耳 ( 2 3 ) 式中耳为极化电阻，单位q 。 焦耳热q 3 ：制作电池的材料都有其内阻，在电池充放电过程中，由这部分电 阻产生的热量就是焦耳热，始终为正值。 q 3 = ，2 r ( 2 - 4 ) 式中r 为电池内阻，单位q 。 分解热q 4 是电池的电极的自放电导致分解产生的热量，这部分热量在电池充 放电过程中都很小，在研究磷酸铁锂电池生热机理时可以忽略不计。 因此，磷酸铁锂电池总的生热量g 公式如式( 2 5 ) 所示： g = q + q 2 + q 3 ( 2 5 ) 磷酸铁锂电池温度达7 0 度以上时，反应热g 占电池生热量的绝大部分。而磷 酸铁锂电池在正常工作温度一2 5 7 0 之间时，极化热q 2 和焦耳热q 3 是主要的生 热量。 2 2 电池箱中锂离子电池组热特性分析 根据传热学相关理论知识可知电动汽车电池箱中锂离子电池组内部的热传递 有三种不同的方式3 5 】：热传导、对流和辐射。实际工程中通常由几种热传递方式 组合形成复杂传热过程，电池组的热特性遵守能量守恒定律： 鳓= q + q 口( 2 6 ) 黑龙江大学硕士学位论文 式中q 为电池内各种过程产生的热量；q e 为电池和环境交换的热量；q o 为电池 自身吸收的热量，具体表现为电池的温度变化丁。 电池自身吸收的热量q 口用式( 2 7 ) 表示： q 口= 绋一q = l m ，q ，l 丁 ( 2 7 ) i = 1 若电池组在绝热条件下，此时q p = 0 ，则式( 2 7 ) 可以简化为： q = 锄= ( 喜碍) r c 2 一曲 f ：l 式中碍为电池微元体质量；c 耐为电池微元体比热。 电池箱中电池组与外部环境热量的交换主要是通过热传导、对流和辐射三种 方式进行的。 热传导是由于物体的温度差异使热量从高温部分向低温部分传递的过程。而 对于锂离子电池来说，其内部电极、电解质等都有良好的导热性。热传导服从傅 里叶定律： 旷一定塑3 n2 舻警 ( 2 - 9 ) 式中靠为热流密度，删2 ；k 为导热系数，m j m 一1 k ；兰为电极等温面法线方向 o n 的温度梯度，加。 热对流是温度不同的流体相互流动导致热量质点宏观位移的传热过程，用牛 顿公式表示： 岛= t z f ( t 。一t ) = t z f a t ( 2 一l o ) 式中q 为热流量，单位w ；口为对流换热系数，删。2 k ；f 为接触面积，m 2 ；瓦 为壁面温度，k ；弓为流体温度，k 。 热辐射是指辐射能从电池表面向周围环境的传递过程。可用斯特潘一尔兹曼公 第2 苹锂离子电池组热特性研究 式描述灰体辐射能力： 只( r ) = e t r ( t 4 一霹) ( 2 - 1 1 ) 式中e 为辐射功率；g 为热辐射率，此时e = l ；仃为斯特潘一尔兹曼常数；丁、b 为 环境温度。 对于电池箱中锂离子电池组来说，内部的生热主要通过热传导传递。锂离子 电池组热管理的研究就是要研究电池箱中产生的热量如何积累和传递，并控制散 热量，使电池组温度调控在工作温度范围内3 6 1 。 2 3 锂离子电池组热管理系统的研究 2 3 1 电池组热管理系统的主要功能 电动汽车电源工作电压等级为3 0 0 - - - 4 0 0 v ，因此为了满足续航标准，需将多节 单体电池串联起来形成电池组( 3 7 1 ，实际中，电池组会安装在封闭的电池箱内。电 池组工作时内部会产生热量，由于电池箱中心的电池摆放密集，产生的热量聚集 很难消散，会使某些单体电池的温度达到很高。同时位于外围的电池能够和外界 环境进行热交换，仅接近电池箱环境温度。由此可见，电池箱内部各个单体电池 之间严重的温度差异会加大单体电池之间的性能差异，使单体电池间的不一致性 更加突出。如果长时间工作在不均匀的热环境中，将缩短电池使用寿命、降低电 池性能，进一步导致电池组过早失效，影响整车运行及安全。 解决以上问题的有效方法是在电池箱中加入电池组热管理系统，这对于电动 汽车的安全可靠运行有着非常重要的意义。 电池组热管理系统的主要功能3 8 1 【3 9 1 如下o ( 1 ) 精确测量电池组的温度；( 2 ) 散热 冷却电池组过高的温度；( 3 ) 低温环境中电池组快速加热及保温；( 4 ) 及时排出电池 箱中产生的不良气体；( 5 ) 保持电池之间较好的热均衡性。如果对电池箱进行热管 理以加强散热冷却效率，保证电池箱电池组工作在合理的温度范围内，使单体电 池之间温度差小于5 。c ，则各单体电池能够保持较好的性能一致性。 一1 3 一 黑龙江大学硕士学位论文 i i 宣i i i i i i i i l ii l i ；i i i i i i i 薯i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i 暑 2 3 2 电池组热管理系统的分类及特点 电池组热管理系统从电池箱散热加热方式可以分为空冷、液冷及相变材料冷 却三种方式。下面，对三种散热加热方式进行简要的分类描述。 一、空气冷却方式 空气冷却方式是通过风扇等散热装置产生温度较低的冷却空气，吹过由于生 热而使温度升高的电池模块表面，带走大量的热量达到降温的作用【4 0 1 。目前空气 冷却方式一般有串行散热通风和并行散热通风两种。 空气冷却方式的主要优点有：结构设计相对简练，节约成本；重量较轻，减 少车辆负载；随空气流动及时排放出产生的不良气体。不足之处在于：空气在电 池组外表面流动换热效率较低，冷却速度较慢。这是目前应用较多的一种方式。 二、液体冷却方式 液体冷却方式是在电池外表面添加液体流动通道，配以水套等换热设备，通 过调节液体温度在通道内流动对电池进行冷却【4 。分为直接接触方式和非直接接 触方式。电池表面和传热液体之间的换热率取决于液体流动的形态、流速、密度 和热传导率等。 液体冷却方式的主要优点有：液体在电池组外表面流动换热效率较高，换热 系数较大；温度调节较迅速。不足之处在于：存在漏液的可能；对水套、换热器 等换热设备要求较高，使用和维护成本比较大。 三、相变材料冷却方式 相变材料冷却方式是将电池组直接浸在相变材料中，电池进行大电流放电时， 相变材料吸收电池放出的热量，并转换成相交热储存起来使自身发生相变，从而 迅速降低电池温度m 2 1 。 相变材料冷却方式的主要优点有：换热效率非常高，冷却、加热效果明显， 通过相变材料的选择可以控制温度范围。不足之处在于：研发制造成本高。 第2 章锂离子电池组热特性研究 2 ，4 本章小结 本章首先分析了锂离子电池的基本性能指标，然后介绍了锂离子电池的类别 和结构，重点研究了磷酸铁锂动力电池的发热机理和电池组的热特性。最后说明 了热管理系统的功能。通过本章的介绍，对锂离子电池的热特性有了直观深刻的 认识，为后续的章节奠定了理论基础。 黑龙江大学硕士学位论文 第3 章锂动力电池热性能仿真分析 目前，国内外开始研究通过建立锂离子电池热数学模型，运用有限元软件初 步模拟仿真锂动力电池箱内的热性能，这样可以优化锂动力电池箱热管理系统的 设计。 3 1 对单体锂离子电池建立热数学模型 单体锂离子电池热数学模型1 4 3 】的建立可以模拟锂离子电池在应用条件下的生 热、传热、散热行为，对电池的热效应进行准确、详细的预测，实时掌控电池的 温度场变化情况，并用于指导电池的设计、改进和应用控制，为电池箱中热管理 系统的优化提供量化参考，同时节省大量的时间和成本。 电池热数学模型的建立依据有很多种，由于电动汽车在运行状态下以不同的 工作电流对锂离子电池充放电，从而使锂离子电池内阻和容量产生不同的影响， 同时锂离子电池本身是热源，其生热散热的环境由热管理系统控制，那么可以把 锂离子电池的生热散热过程当做一个根据时间变化有内热源的非稳态导热问题来 看待。本文根据锂离子电池的结构特性和具体模拟情况，采用直角坐标系下的导 热微分方程和实际情况下的单值性条件来进行描述，导热微分方程的理论基础是 傅里叶定律和能量守恒定律 4 4 1 。单体锂离子电池建立热数学模型一般步骤如下： 3 1 1 定义锂离子电池 锂离子电池的内部结构比较复杂，其内部温度场的分布规律也较复杂，为了 能用数学公式计算温度场数值，首先要对锂离子电池做如下假设：锂离子电池内 部各组成材料物理性质一致，材质均匀；不同材料的比热容和热导率均为常数， 不受电池温度和容量变化的影响；同一材料的比热容相同，并且同向各点的热导 率相等；锂离子电池在充电和放电过程中，电池内部各处通过电流相同，生成热 第3 章锂动力电池热性能仿真分析 量速率一致。 3 1 2 导热微分方程的推导 锂离子电池的生热、传热、散热过程的一个主要理论依据是热力学第一定律， 即能量守恒定律m 5 1 ，取锂离子电池内部任意微元体作为推导对象，其表达式为： q + = a u ( 3 1 ) 式中q 为电池微元体与环境交换的热，包括导入与导出净热量【l 】和内热源发 热量【2 】两部分；矽为电池微元体与环境交换的功；a u 为电池微元体热力学能( 内 能) 的增量【3 】。 当锂离子电池处于工作过程中，工作电流流过电池，其电池微元体不做功， 即形= 0 ，此时表达式可简化为： o = a u ( 3 2 ) 傅里叶定律是锂离子电池导热模型的重要理论基础，其文字表述：在导 热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比例于垂直于该界面方向上 的温度变化率和截面面积，而热量传递的方向则与温度升高的方向相反嘲。 数学表达式为： 弓：一2 9 r a n d ( f ) ：一2 当高 ( 3 3 ) 1 7 1 式中系数五为导热系数( 热导率) ，表示物质导热能力大小的单位，w ( 朋七) ； g r a n d ( t ) 为温度梯度；负号表示传导的热量方向与温度降度方向相同。 1 、导入与导出电池微元体的净热量 在直角坐标系中提取锂离子电池任意的微元体在办时间里导热分析图如图 3 1 所示： 黑龙江大学硕士学位论文 图3 1 导热分析图 f i g u r e 3 1h e a tc o n d u c t i o na n a l y s i sd i a g r a m d r 时间内，沿x 轴方向经z 表面导入的热量： 坦= q ，d y a z d r ( 3 - 4 ) d r 时间内，沿x 轴方向经x + 出表面导出的热量： d q x + 出= q x + 出d y d z 打 ( 3 5 ) g。出=以+-dx(3-6) 由式( 3 3 ) 、( 3 q 、( 3 5 ) 可知，d r 时间内，沿x 轴方向导入与导出电池微元 体的净热量： a o x d o x + d x - - 一誓次舭咖 ( 3 - 7 ) 同理可得d r 时间内，沿y 轴方向导入与导出电池微元体的净热量： 呜一d q y + 匆= 一熹蝴打 ( 3 - 8 ) d r 时间内，沿z 轴方向导入与导出电池微元体的净热量： 一 第3 章锂动力电池热性能仿真分析 d q d q + 士= 一! d x d y d z d 丁( 3 9 ) 由式( 3 6 ) 、 ( 3 7 ) 、( 3 8 ) 相加可得导入与导出净热量【l 】： 【1 】一( 誓+ 等+ 等) 却纰办 ( 3 舶) 如图3 1 所示，根据傅里叶定律可知： 吼= 一a 祟 ( 3 1 1 ) 以一磅 ( 3 - 1 2 ) 吼= 一允妾 ( 3 1 3 ) 把式( 3 1 1 ) 、( 3 一1 2 ) 、( 3 1 3 ) 代入式( 3 1 0 ) 中得锂离子电池微元体导入与导出净 热量： = 鼬卦专( 名考) + 未( 名妾) 1 一办 p 2 、电池微元体内热源的发热量 如时闻内锂离子电池微元体中内热源的发热量： 【2 】= g v a x a y a 匕d r( 3 1 5 ) 3 、电池微元体热力学能( 内能) 的增量 d z 时间内锂离子电池微元体中热力学能( 内能) 的增量： 【3 = 肛鲁撕仂( 3 - 1 6 ) 由式( 3 1 4 ) 、( 3 一1 5 ) 、( 3 一1 6 ) 整理可得锂离子电池导热微分方程p 7 】： 肛妾= 去( 五尝) + 导( 名考 + 丢( 名妾) + g v c 3 一t 7 ， 式中p 为锂离子电池微元体的密度；c 为锂离子电池微元体的比热容；名为锂离 子电池微元体的热导奎。 黑龙江大学