摘 要

随着石油、天然气等自然资源的不足，传统燃油汽车逐渐转型为电动汽车。电动汽车的动力来源主要由电池提供，使用过程中不会产生有害气体。目前，全球能源短缺和环境污染问题日益严峻，氢燃料电池汽车是未来电动汽车的主要发展方向和趋势。其中，燃料电池—锂离子电池混合动力系统的运用，其有效的结合了锂离子电池和燃料电池的优点，从而得到了更广泛的应用。并且电池技术是制约电动汽车发展的重要因素，其中锂离子电池更是在动力电池中占据了主导地位。在对电池的研究中，可以发现温度对锂离子电池有很大的影响，三元材料锂离子电池最佳工作温度范围在之间。当环境温度低于时，锂离子电池的各种性能衰减甚至无法使用。

为保证锂离子电池组在低温环境下依旧保持较好的性能，本文对燃料电池汽车中的锂电池组进行预热系统设计与分析，主要内容为首先确定所需动力蓄电池的容量与额定电压再对动力蓄电池进行电池选型，确定所需单体电池的数量。文献中对18650电池的充、放电特性参数得到的实验数据获得最佳预热温度为。在确定以加热膜加热的方式对电池进行预热后，选择钛酸锂电池作为辅助电源，为加热膜提供电源, 计算得到锂离子电池以及钛酸锂电池的单体数量

本文分析了锂离子电池单体内部生热及传热原理，确定锂离子电池热物性参数后建立了单体电池的数学传热模型，利用 Matlab软件得到加热30min后的电池内部温度分布。随后基于电池表面最大温差和电池平均温度提出一种加热功率控制策略。最后，使用AMSim软件对电池模组进行预热系统建模并对预热效果进行了简单的分析。

关键词：锂离子电池组；预热系统；燃料电池汽车；低温环境

Abstract

With the shortage of natural resources such as oil and natural gas, traditional fuel cars are turning into electric vehicles. The power source of electric vehicles is mainly provided by the battery, and it will not produce harmful gases in the process. At present, the global energy shortage and environmental pollution are becoming increasingly serious, and HFCV(Hydrogen Fuel Cell Vehicles) is the key trend of electric vehicles in the future. The application of fuel cell - li-ion battery hybrid power system, which effectively combines the advantages of li-ion battery and fuel cell, has been widely used in HFCV. In addition, battery technology is an important factor restricting the development of electric vehicles, and lithium-ion battery is the major development direction of power batteries. In the study of the battery, it can be found that the temperature has a great impact on the lithium-ion battery, and the best working temperature range of the three-component lithium-ion battery is between.

In order to ensure the lithium-ion battery still keep better performance under low temperature environment, preheating system of the lithium battery pack in the fuel cell vehicles was designed and analyzed, the main content of power for the first determine the capacity of the battery and rated voltage of power battery cell selection, determine the number of single cells. The optimal preheating temperature was obtained from the experimental data of the charge and discharge characteristics of 18650 batteries in the literature. After preheating the battery by heating the film, lithium titanate battery was selected as the auxiliary power supply to provide power for the heating film. The number of monomers of lithium-ion batteries and lithium titanate batteries was calculated.

This thesis analyzes the lithium-ion battery monomer internal heat production and heat transfer theory. After monomer battery mathematical heat transfer model is established in terms of thermal physical parameters, the temperature distribution inside the battery was calculated by Matlab software after heating in 30 minutes. Next, a heating power control strategy is proposed based on the maximum temperature difference of the battery surface and the average temperature of the battery. AMEsim software was used to model the preheating part and the cooling process respectively and their effects were discussed.

Key Words：Lithium-ion battery pack; Preheating system; Fuel cell vehicles; Low-temperature environment

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1电池散热研究现状 2

1.2.2电池预热研究现状 3

1.3本文设计内容 4

第 2 章 锂离子动力电池低温热特性分析 6

2.1锂离子电池的结构介绍 6

2.2锂离子电池的传热特性分析 7

2.3预热目标温度的确定 7

2.4 本章小结 8

第3章 电池箱预热系统及冷却系统的设计 10

3.1动力锂电池组参数的确定 10

3.1.1整车性能参数 10

3.1.2驱动电机参数确定 11

3.1.3燃料电池参数 11

3.1.4蓄电池参数确定 12

3.2预热方案的设计 13

3.2.1加热装置的整体设计 14

3.2.2单体电池预热温度验证 15

3.2.3基于模糊控制器的预热控制方法 18

3.3冷却系统的设计 21

3.3.1蛇形冷却管的设计 22

3.3.2冷却液介质的选取 25

3.3.3水泵扬程的计算 25

3.4 本章小结 26

第4章 电池箱的设计 27

4.1动力电池箱的设计 27

4.1.1电池箱内部结构设计 27

4.1.2电池箱外壳的设计 28

4.2辅助电池箱的设计 28

4.3本章小结 29

第6章 总结与展望 33

参考文献 34

致谢 36

附录A 电池单体温度计算程序： 37

附录B 电池加热功率模糊控制程序： 40

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

由于石油资源的紧缺，人们将目标逐渐从传统燃油车转向电动汽车，而其中电动汽车的能量主要由电池提供，所以在使用过程中没有有害气体排放^[1]，进而被大范围地推广使用。电动汽车根据其动力源类型的不同可以分为纯电动汽车、混合动力汽车以及燃料电池汽车^[2]。当前，面对日益严重的环境问题，燃料电池汽车被认为是未来新能源汽车的最佳选择^[3]。针对汽车的起动时要面临的一些问题，例如输出较大的功率、瞬态响应特性、燃料电池系统的成本等，目前各汽车制造商已将重心转移到燃料电池与其它动力源的混合动力汽车中。其中，有一动力系统为燃料电池 锂离子电池混合动力系统，其不仅结合了锂离子电池高功率承受力的优点还有着燃料电池比能量高的优点，提高了动力系统的可靠性、延长了电池的使用寿命，进而现在得到了更广泛的应用^[4]。该混合动力系统的结构如图1.1所示: