車用鋰離子電池組集成技術的研究(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 . Spotnitz等[45]建立的熱濫用模型耦合了電池內多種可能存在的生熱反應，仿真電池的溫度箱實驗。分析結果表明粘合劑對電池熱失控影響不大。金慧芳等[46]建立電池的熱濫用模型，并申請了相關專利。電池熱模型是研究電池熱管理系統的重要工具，針對不同的電池和熱管理方式，建立適當的熱模型，是電池熱管理系統成功開發的關鍵。目前常用的電池組冷卻方式很多，按冷卻介質不同可以分為三類：空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻。根據實際情況，有時候為了實現更好的散熱效果，不單采用一種冷卻方式，而是同時采用幾種冷卻方式[47]。空氣冷卻方式可以分為兩種：自然對流冷卻和強制對流冷卻。自然對流冷卻是指不使用任何額外的能量，通常直接利用汽車行駛時形成的自然風對電池進行冷卻。這種方法簡單易行且成本低廉，但冷卻效率較低。為了獲得較好的散熱效果，通常要求電池的外形和封裝材料經過特殊設計，以增大散熱面積，并且對電池在汽車上的安裝位置也有要求，影響車體的結構。強制對流冷卻是指利用風扇、蒸發器等驅動空氣流動進行散熱。與自然對流冷卻相比效率更高，對電池外形和電池箱結構要求較低，并且在汽車上布置位置較靈活。根據空氣在電池組內流動形式的不同，空氣冷卻還可以分為串流式和并流式[48]。，串流式冷卻結構中空氣從電池箱一端流入，從另一端流出，每個電池表面流過的空氣流量都是相同的；并流式冷卻結構中進入電池箱的空氣被分為幾股，通過電池側面的流道對電池進行冷卻，之后匯聚到出風口處排出電池箱外。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。相對而言，并流式冷卻結構中流過不同單體的空氣溫度相差較小，電池單體溫度一致性較好。并流式冷卻結構不同通道中空氣溫度與流量受結構影響較大，通過優化電池組機械結構通常能使電池單體溫度達到較好的一致性。由于液體的傳熱系數比空氣高很多，液體冷卻通常比空氣冷卻效果好。常用的冷卻液有水、礦物油、乙二醇水溶液等。由于液體的粘度高，通常需要較大的泵功率。液體冷卻系統需要很高的密封性，因此系統結構復雜，對裝配精度要求較高。(a) 串流式(b) 并流式 串流式冷卻和并流式冷卻結構示意圖相變材料在電池熱管理系統中的應用最早由Hallaj S A等人提出[49]。這種冷卻系統利用冷卻材料熔化或氣化過程帶走電池產生的熱量。相變材料冷卻系統不需要額外的冷卻接口，也不需要對電池間流道進行特殊設計，但是相變材料的使用大大增加了電池組的重量，同時，為了防止材料泄露，對電池箱的密封性要求較高。 本文的研究內容電池是電動汽車的關鍵部件，提高電池工作效率、延長電池使用壽命、保障系統安全性是電池組集成技術研究的主要目的。本文基于某180Ah鋰離子電池，開展了電池組集成技術的研究。，包括以下幾個部分：1）電池性能試驗。通過電池性能試驗，研究電池性能特性，分析了系統的需求，作為整個研究工作的基礎。2）電池組機械結構設計與優化。首先通過理論分析和實驗研究，建立了電池的三維熱模型。之后參考目前常見的散熱方式，確定了熱管理系統的基本結構，建立了系統的仿真模型，在FLUENT軟件中進行了CFD仿真研究。根據仿真結果反映的問題，研究了結構優化方法，完成了機械結構設計。 本文主要研究內容3）電池管理系統和電氣機構的開發。分析了電池管理系統的功能需求，確定了電池管理系統的主控單元和數據采集單元的主要功能，開展了電池管理系統軟硬件的研究。之后以保障電池電氣安全為設計理念，研究了電池系統的電氣結構。最后為了提高標定效率，研究了電池管理系統自動標定裝置。4）系統的實現及實驗研究。在前期研究基礎上，完成了電池系統的集成，研究了系統集成的關鍵技術。為了驗證前期研究結果，對電池系統進行了實驗研究。根據實驗中反映的問題，對仿真模型進行了優化。81第2章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優化第2章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優化電池組機械結構設計是電池組集成的基礎。機械結構不僅直接決定了電池的空間排布和固定方式，還涉及電池組熱管理和電氣布置等一系列問題。電池組熱管理系統是機械結構設計的核心內容。研究電池熱管理系統通常采用理論分析、CFD仿真和實驗研究相結合的方法。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。在此基礎上完成熱管理系統的CFD仿真。根據仿真結果反映的問題，對機械結構進行優化，完成了電池組機械結構的設計。 電池組熱管理的理論基礎及研究方法電池在工作時會發熱，當熱量累積到一定程度時會導致電池工作溫度過高，影響電池正常工作甚至損害電池。熱管理系統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。根據熱力學第二定律可知，熱量會自發的從溫度較高的物體向溫度較低的物體傳遞。熱管理的基本方法是利用溫度較低的流質流過電池組，吸收熱量并將熱量帶出電池組。因此，研究熱管理的理論基礎是流體力學和傳熱學。本文采用了理論分析、CFD仿真和實驗研究相結合的方法對電池組熱管理進行研究。 電池的傳熱方式熱傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流和熱輻射。電池工作時，部分熱量通過表面散發出去，導致電池表面溫度低，內部溫度高，電池體內存在熱傳導；而電池表面的熱主要通過對流散發到冷卻流質中；電池也在不斷通過熱輻射傳熱。熱傳導是指僅依靠分子、原子、電子等微觀粒子的熱運動進行的熱量傳遞[50]。對于x方向任意一個厚度為dx的薄層來說，單位時間內通過該層的熱量可以用公式計算： （21） 通過平板的一維導熱對流是指由于流體的流動，引起流體內部各部分之間發生相對位移，不同溫度的流體相互混合引起的熱傳遞[50]。其中，流體流過固體表面時的熱量傳遞過程，稱為對流換熱。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，為正數時物體放熱，負數時物體吸熱。h是表面傳熱系數，Tw是物體表面溫度是流體溫度。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。電池熱管理系統的目標是控制電池溫度在正常范圍內，在電池發熱嚴重時，加快電池與冷卻介質的熱量傳遞，使熱量盡快的排出電池組外。 計算流體力學簡介流體力學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[52]。理論分析的優點在于分析過程直觀明了，具有普遍適用性。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，對于復雜的流體問題則很難得到理想的解。實驗研究方法得到的結果真實可信，是發現流體規律、檢驗理論和為流體機械設計提供數據的基本手段。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果[53]。隨著計算機技術的不斷進步，計算流體力學近年來發展迅速。計算流體力學的核心內容是流場數值模擬，它以計算機為工具，通過數值計算再現研究對象狀態變化及其內在規律，并以數據和圖像的形式對研究結果進行顯示。事實上，連續介質的流體運動是一個無限的信息系統，而計算機的內存和其所能表示的數位都是有限的，數值模擬只能通過流場中按一定規律排列的有限數量的點（網格節點）信息近似表示整個連續的流場。控制方程是對流體運動中遵循的物理規律的數學描述。在電池組內，冷卻空氣的流動速度遠小于聲速，可視為不可壓縮流體。空氣在電池箱內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]。因此可以對控制方程進行簡化。質量守恒方程（連續性方程）： （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為流體內熱源發熱和由于粘性作用由機械能轉化而來的內能之和。FLUENT是目前使用較多的CFD仿真軟件。FLUENT能夠分析流體流動、熱傳遞和化學反應等問題，數值計算方法先進，能夠仿真多種物理模型，廣泛應用于汽車、航空航天、渦輪設計等領域。針對不同的問題，FLUENT有不同的求解器可供選擇。用戶可以根據具體的問題和求解精度要求選擇適當的求解器。1）非耦合求解器（Segregated Solver）2）耦合隱式求解器（Coupled Implicit Solver）3）耦合顯式求解器（Coupled Explicit Solver） FLUENT程序結構示意圖[57]非耦合求解器主要用于不可壓縮流體的流動，耦合求解器則可用于高速可壓流體。耦合隱式求解方法占用內存較大，但是收斂時間短；耦合顯式求解方法收斂時間長，但是占用內存小。 電池組熱管理系統建模和仿真分析本文研究的目標電池為國內某廠商生產的180Ah磷酸鐵鋰電池，應用于電動汽車。車體空間較小，在有限的空間內需要布置電池、電池管理系統和其他電氣和機械構件，因此要求熱管理系統占用的體積盡可能小。根據廠商提供的電池工作參數，結合電池的工作條件，本文確定熱管理系統設計的兩個目標：1）在1C充放電電流下，電池溫度不高于50℃；2）保證電池溫度一致性，℃。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：1）電池單體的比熱容為常數，電池內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；2）電池單體內部均勻發熱；3）忽略電池單體內部的對流和熱輻射。以上假設是仿真計算的基礎，這幾項假設忽略了電池模型中難以確定且對熱管理系統仿真影響不大的細節部分。電池體內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。而電池熱管理系統和機械結構設計關注的重點就是電池總體溫度分布情況。 電池熱模型的建立。電池形狀近似于長方體，外殼是塑料材質，四周和底面都有凸起的肋條，增大電池散熱面積，并可以在電池間形成空氣流道。根據電池外形參數，利用Pro/。 電池單體外形及尺寸 電池單體三維模型依據廠商提供的參數和電池性能實驗。 電池部分性能參數參數名稱參數值容量（Ah）180質量（kg）177。能量密度（W?h/kg at ）116循環壽命（80%DOD）2000工作溫度（℃）0~55（充電）/ 25~55（放電）標準充放電電流（C）自放電率（/月）3%比熱容（J/(kgK)）870電池熱模型建立的重要一步是確定電池的發熱量。鋰離子電池的發熱是一個復雜的物理和化學變化過程。Noboru Sato等人的研究成果表明[58]，鋰離子電池的發熱可以分為三類：反應熱、極化熱和焦耳熱。1）反應熱電池在充放電時內部發生化學反應所產生的熱量，反應熱是電流的一次函數，可以用公式計算： （28）式中，Q1是電池反應的發熱量，單位是kJ/mol，Ic為充電電流，負號表示充電時為吸熱反應，放電過程與此相反。2）極化熱極化熱是電池濃差極化、歐姆極化和電化學極化產生的熱量之和，計算公式為： （29）式中，I為電池充放電電流，Rp為極化內阻。3）焦耳熱焦耳熱是由于電池存在歐姆內阻產生的熱量，計算公式為： （210）式中，I為電池充放電電流，Re為歐姆內阻。這三類熱量中，反應熱是電流的一次函數，極化熱、焦耳熱是電流的二次函數。且充電時，反應熱為負，即電池從外界吸熱；放電時則電池發熱。因此，在電流較大時，可以忽略反應熱，電池發熱量主要由極化熱和焦耳熱組成，即總的發熱量為： （211） （212）其中，Qt電池總發熱量，Ri為電池總內阻，即極化內阻與歐姆內阻之和。內阻是表征電池狀態的重要參數。鋰離子電池內阻主要受溫度和SOC影響[56]。混合脈沖功率特性方法（Hybrid Pulse Power Characterization, HPPC）是一種最常用的內阻測試方法。HPPC方法將電池等效為理想電壓源與一個電阻的串聯，此電阻即為電池內阻。 HPPC電池等效電路，內阻為極化內阻與歐姆內阻之和。從表中可以看出，電池內阻變化范圍很大。電池熱管理系統的設計目標是溫度不超過50℃。在溫度低于35℃時，散熱系統的壓力不大，這一溫度范圍不是熱管理系統研究的重點。需要重點關注的溫度范圍是在35~50℃之間，在這一溫度范圍內，熱管理系統必須高效率地將電池產生的熱量散發出去，以保證電池的溫度不會過高。因此，在仿真分析時這一溫度范圍的電池發熱量是考察的重點，熱管理系統的散熱能力以此溫度范圍電池發熱功率為依據進行設計。取電池內阻在35~50℃，并假設電池的內阻為恒定值，這樣仿真時電池發熱量不會小于實際發熱量，保證了熱管理系統的散熱能力滿足實際工作的要求。由公式（211）可以算出，在1C電流（180A）下，電池的發熱功率為44W，103m3。 電池單體內阻值（mΩ） 溫度(℃)SOC(%)105203550100806040200典型鋰離子電池內部結構為多層結構。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；在平行于層面方向，則可以看做多層材料的并聯。這兩種方式熱導率的計算公式如下[59]： （213） （214）式中，k1為圖1中X和Z方向的導熱系數，k2為Y方向的導熱系數。ki為第i層材料的導熱系數，Ai為第i層并聯材料的截面積，Li為第i層串聯材料的厚度。利用公式和電池材料的信息可以計算出各方向上的導熱系數。 典型鋰離子電池結構示意圖[59]為了進一步了解電池內部結構，對一塊報廢的電池進行了拆解。，不同的是電