车站信号自动控制系统论文和车用锂离子电池组集成技术的研究

摘要图4.24所示。仿真与实验中电池温度分布一致性均较好，实验中由于电池单体的差异性与测量误差的存在，单体温度存在一定的波动。仿真中电池平均温度较实验中高出2~3℃，经分析原因主要有以下几点：1）建立电池模型时提出了三个假设（见第2章），对模型进行了简化，与实际情况存在一定的差异，表现在仿真结果上也会与实际情况有所差异。2）电池的发热是一个复杂的化学变化和物理变化过程，与电流、SOC、SOH等均有关系，而仿真中由于条件的限制将电池的发热设为一固定值，与实际情况存在差别。3）虽然电池箱以仿真分析为基础进行设计、加工与装配，但是实际操作时不可避免的存在误差，使电池组实际流道结构与设计结构存在一定差别。4）仿真软件本身的误差。现实中任何物体都是由无限个连续的物质元构成，而软件中的物体是由数量有限的离散的单元构成，仿真计算所用的计算方法也不能完全表现现实中物体运动与变化过程，因此计算误差不可避免。虽然实验结果与仿真结论存在一定的差别，但是对于电池热管理系统设计而言，2℃的误差在可接受范围内，仿真分析对于实际工作具有指导意义。仿真与实验中电池单体温度比较本章小结在前文研究基础上，本章完成了电池系统集成和实验研究。首先通过电池性能试验，测试了电池的基本特性。在电池集成过程中，研究了单体电压均衡、温度传感器布置和结构密封等电池组集成的关键技术。完成系统集成后通过实验验证了电池系统的各项性能，实验结果表明集成的系统满足设计目标。实验中发现了仿真模型存在的问题，导致实验结果仿真结果存在差异。对仿真模型进行修正后，仿真结果与实验结果吻合较好。第5章结论与展望结论与展望结论电池组集成技术是车用电池技术的一个重要研究方向，对提高电池工作效率、延长电池使用寿命和提高电池安全性都具有重要意义。本文针对车用锂离子电池组，研究了电池组集成的关键技术，完成了电池热管理系统和电池管理系统的开发，通过实验对研究结果进行了验证。主要结论如下：1）基于电池性能试验，掌握了电池的基本性能特性，在此基础上建立了电池热模型。该模型仿真结果与实际情况吻合较好，说明热模型的建立方法是可行的，用这种方法建立的热模型可以满足热管理系统研究的需要。2）热管理系统采用并流式空气冷却的方式，取得了较好的效果。说明当电池发热不严重时，并流式空气冷却是一种简单有效的散热方式。本文提出了一种并流式冷却结构的优化方法，仿真结果表明，该方法可以显著改善系统的温度分布状况。3）对电池管理系统的软硬件进行了研发，并开发了电气系统，设计了电池管理系统的标定装置。从实验结果可以看出，电池管理系统对于提高电池工作性能、延长电池使用寿命、保障电池安全具有重要作用。4）电池系统运行实验结果表明，电池的电极部分发热严重，对电池组温度分布影响很大。在热模型的建立和热管理系统的研究中，电极部分的发热不能被忽略。未来工作展望在本文内容的基础上，可以从以下几个方面对车用锂离子电池组集成技术进行进一步研究。1）深入研究锂离子电池的热模型。电池热模型是研究电池组热管理系统的基础。本文提出的电池热模型对实际电池进行了一定程度的简化。从实验结果来看，电池温度分布与实际情况有一定差别，而电池单体内温度分布也与实际情况差别较大。在本文的基础上，将通过深入研究建立更精确的电池热模型。2）在目前研究的基础上，研究同时具备散热和加热功能的电池热管理系统。汽车工作环境复杂，可能经常运行于严寒环境。在低温下，电池性能衰减严重，甚至不能正常工作。因此，在电池热管理系统中加入加热功能，能使汽车环境适应能力大为提高。3）自动标定装置的实际应用。目前自动标定装置还处于设计阶段，没有进行实际运行试验。在下一步研究中，首先通过样机对系统功能进行验证，最终推出产品级的标定装置。4）电池组的装车运行实验。目前的电池组只完成了实验室条件下的运行实验，没有通过实车运行检验。电池组集成技术的研究最终目的是在实车上应用，基于汽车的应用要求，通过实车运行试验，找出设计中存在的问题，是今后研究的一个重要方向。参考文献参考文献欧阳明高.汽车新型能源动力系统技术战略与研发进展.内燃机学报.2008(16):107-114.工业和信息化部.2011年汽车工业经济运行情况[EB/OL].[2012-01-19]./n11293472/n11293832/n11294282/n11304168/14442839.html.于欢.美能源部首次发布《四年技术评估报告》.中国能源报.2011-10-03(8).欧阳明高等.汽车新型动力系统：构型建模与控制.北京:清华大学出版社,2008,12:1.张进文.节能与新能源汽车发展战略的国际比较.环境保护.2010(18):16-17中国政府网.国务院通过节能与新能源汽车产业发展规划[EB/OL].[2012-04-18]./china/bwdt/20120418/173511859118.shtml.欧阳明高.新能源汽车发展与汽车产业振兴.群言.2009(4):24.日本通产省.日本下一代汽车及燃料计划[R].2007.黄可龙,王兆祥,刘素琴.锂离子电池原理与关键技术[M].北京:化学工业出版社,2008.KCDivya,JacobØstergaard.Batteryenergystoragetechnologyforpowersystems-Anoverview.ElectricPowerSystemsResearch,Volume79,Issue4,April2009:511-520.郭炳焜,徐徽,王先友,肖立新.锂离子电池[M].长沙:中南大学出版社,2002.M.Wakihara.MaterialsScienceandEngineering.R332001.109-134.吴宇平，万春荣，姜长印，方世璧.锂离子二次电池[M].北京:化学工业出版社，2002.MArmand.InMaterialsforAdvancedBattery,WMurphy,J.Broodhead,B.C.H.Steele,Editors,PlenumPress,NewYork,1980.BScrosati.Solid-statelithium/polyacetylenebattery.JElectrochem.Sac.139(10):2776-2781.陈全世，仇斌，谢起成.燃料电池电动汽车.北京：清华大学出版社，2005.ScrosatiB.,GarcheJ.LithiumBattery:Status,ProspectsandFuture[J].JournalofPowerSources,2010,195(9):2419-2430.唐凤.电动汽车:自燃背后的技术瓶颈.科学新闻杂志,2011.王林.电池突发大爆炸，通用沃蓝达或将继续“受难”.汽车商报.2012(47):B2.何宽.政策法规有缺失比亚迪e6车祸后起火[EB/OL].[2012-05-26]./news/201205/340395.html.Owen,David,HoermanBrent.ASolutionforTestingBatteryManagementSystemEvaluationEngineering[J],2010:20-24.Conte.BatteryandBatteryManagementforhybridElsctricVehicles[J],ElektrotechnikandInformationstechnik,2006:424-431.张建.电动汽车电池监控系统设计[硕士学位论文].浙江大学电工理论与新技术系，2006.高明.带诊断功能的电池管理系统研究[硕士学位论文].北京:清华大学汽车工程系,2009.吕延平.基于分布式系统的电动汽车电池管理系统研究[硕士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大学深圳研究生院,2010.姜久春,牛利勇,张欣.混合动力汽车电池管理系统的研究,高技术通讯,2004(6):75-77.南金瑞，孙逢春，王建群.纯电动汽车电池管理系统的设计及应用[J].清华大学学报:自然科学版.2007,47(S2):1831-1834FeiZhang,GuangjunLiu,LijinFang.BatteryStateEstimationUsingUnscentedKalmanFilter.IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation,2009:1863-1868.JingliangZhang,JayLee.AreviewonprognosticsandhealthmonitoringofLi-ionbattery.JournalofPowerSources,2011(196):6007-6014.JürgenRemmlingera,MichaelBuchholza,MarkusMeilerb,PeterBernreuterb,KlausDietmayera.State-of-healthmonitoringoflithium-ionbatteriesinelectricvehiclesbyon-boardinternalresistanceestimation.JournalofPowerSources2011(196):5357–5363.车杜兰,周荣,乔维高.电动汽车电池系统热管理系统设计方法.汽车工程师.2009(10):28-30.李腾，林成涛，陈全世.锂离子电池热模型研究进展.电源技术.2009(10):927-932BotteGG,JohnsonBA,WhiteRE.Influenceofsomedesignvariablesonthethermalbehaviorofalithium-ioncell[J].JElectro-chemicalSociety,1999(146):3.HallajSA,MalekiH,HongJS,etal.Thermalmodelinganddesignconsiderationsoflithium-ionbatteries[J].JPowerSources,1999(83):1-8.FunahashiA,KidaY,YanagidaK,etal.Thermalsimulationoflarge-scalelithiumsecondarybatteriesusingagraphite-cokehybridcarbonnegativeelectrodeandLiNi0.7Co0.3O2positiveelectrode[J].JPowerSources,2002(104):248-252.HallajSA.,SelmanJR.Thermalmodelingofsecondarylithiumbatteriesforelectricvehicle/hybridelectricvehicleapplications[J].JPowerSources,2002(110):341-348.OndaK,OhshimaT,NakayamaM,etal.Thermalbehaviorofsmalllithium-ionbatteryduringrapidchargeanddischargecycles[J].JPowerSources,2006(158):535-542.WuMS.,LiuKH,WangYY,etal.Heatdissipationdesignforlithium-ionbatteries[J].JPowerSources,2002(109):160-166.KhateebSA,AmiruddinS,FaridM,etal.ThermalmanagementofLi-ionbatterywithphasechangematerialforelectricscooters:experimentalvalidation[J].JPowerSources,2005(142):345-353.ChenSC.,WangYY,WangCC.Thermalanalysisofspirallywoundlithiumbatteries[J].JElectrochemicalSociety,2006,153(4):A637-A648.VerbruggeMW.Primarycurrentdistributioninathin-filmbattery.Applicationtopower-densitycalculationsforlithiumbatteries[J].JElectrostatics,1995(34):61-85.DeesDW,BattagliaVS,BelangerA.Electrochemicalmodelingoflithiumpolymerbatteries[J].JPowerSources,2002(110):310-320.KwonKH,ShinCB.,KangTH,etal.Atwo-dimensionalmodelingofalithium-polymerbattery[J].JPowerSources,2006(163):151-157.HatchardTD.,MacneilDD.,BasuA,etal.Thermalmodelofcylindricalandprismaticlithium-ioncells[J].JElectrochemicalSociety,2001,148(7):A755-A761.SpotnitzR,FranklinJ.Abusebehaviorofhigh-powerlithium-ioncells[J].JPowerSources,2003(113):81-100.金慧芳,高俊奎,张绍丽.锂离子电池热安全性能预测方法:CN,1987508A[P].2007-06-01.KizielR,LateefA,FaridMM,et.al.Passivecontroloftemperatureexcursionanduniformityinhigh-energyLi-ionbatterypacksathighcurrentandambienttemperature[J].JournalofPowerSources.2008(183):370-375.AhmadA,Pesaran.Batterythermalmodelsforhybridvehiclesimulations.JournalofPowerSources.2002(110):377–382.HallajSA,SelmanJR.Thermalmodelingofsecondarylithiumbatteryforelectricvehicle/hybridelectricvehicleapplications[J].JournalofPowerSources.2002(110):341-348.陶文铨.传热学.西北工业大学出版社,2006.BejanA.Heattransfer[M].NewYork:John&Sons,Inc.,1993.周正贵.计算流体力学基础理论与实际应用.南京:东南大学出版社,2008.王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用.北京:清华大学出版社,2004孙海洋.流体力学.上海交通大学出版社,2002.许超.混合动力客车电池系统散热系统研究[硕士学位论文].上海:上海交通大学机械与动力工程学院,2010.郭宏榆,姜久春,王吉松,娄婷婷,李肖刚.功率型锂离子动力电池的内阻特性.北京交通大学学报.韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT：流体工程仿真计算实例与应用.北京：北京理工大学出版社，2010.4.NoboruSato,KazuhikoYagi.Thermalbehavioranalysisofnickelmetalhydridebatteryforelectricvehicles,JSAEReview,Volume21,Issue2,April2000,Pages205-211.SCChen,CCWan,YYWang.Thermalanalysisoflithium-ionbattery.JournalofPowerSources,Volume140,Issue1,10January2005,Pages111-124.陈磊涛,许思传,常国峰.混合动力汽车动力电池热管理系统流场特性研究.汽车工程.2009(3)：224-227.Ebm-papstCo.,Ltd.CompactfansforACandDC(version2011)./media/content/info-center/downloads_10/catalogs/compactfansen2011/Compact_fans_for_AC_and_DC__2011.pdf.致谢致谢本文是在卢青春老师和高大威老师的悉心指导下完成的。卢老师学术造诣深厚，待人热情和蔼；高老师学术作风严谨，工作勤恳忘我。他们的言传身教使我受益终生。在此，向两位老师致以诚挚的谢意。感谢金振华老师和聂圣芳老师为本课题提供的指导。曹建华同学、江哲懿同学、刘劼勋同学和李英来工程师给予了大量帮助与支持，在此一并表示感谢。声明声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。签名： 日期： 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果个人简历1987年2005年8月考入浙江大学机械设计制造及其自动化专业，2009年7月本科毕业并获得工学学士学位。2009年9月考入清华大学汽车