纯电动汽车锂动力电池组的热管理系统模型及控制策略设计毕业论文

2020-04-07 14:09:11

摘要

与传统燃油汽车相比，纯电动汽车具有能量利用率高、环保节能、噪声小、舒适性好等的优势。因此，其发展对于解决当前的环境污染和能源枯竭等问题具有重要意义。作为纯电动汽车的重要组成部分，锂动力电池作为一种绿色的储能电池已成为当前的研究热点之一，但是，锂离子电池在实际应用中还存在一系列亟待解决的问题，例如锂离子电池在充、放电时会产生大量的热，使锂离子电池的工作温度升高，从而严重制约锂动力电池的工作效能。基于此，本文简要地对比了几种储能元件的优缺点，并对锂离子电池的原理、分类及其热模型进行了阐述。同时本文以18650型锂离子电池模型为基础，借助ANSYS有限元分析软件对锂离子电池在不同倍率放电、相同倍率放电不同时长、不同环境温度下放电的温度场分别进行了仿真分析。根据有限元分析的结果，本文同时对锂离子电池热管理系统进行了初步设计，包括加、散热方式的选择以及加、散热部件的布置和电池箱的设计。最后，本文对热管理系统的控制策略进行了相应的设计，从而完成了本次设计的所有要求。

关键词：锂离子电池；温度场分析；热管理系统；控制策略

Abstract

Compared with traditional fuel vehicles, pure electric vehicles have the advantages of high energy efficiency, environmental protection and energy saving, low noise, and good comfort. Therefore, its development is of great significance for solving current problems such as environmental pollution and energy depletion. As an important component of pure electric vehicles, lithium-ion battery has become one of the hot spots for research. However, lithium-ion batteries still have a series of problems to be solved in practical applications, such as lithium ion. When the battery is charged and discharged, a large amount of heat is generated, which increases the working temperature of the lithium ion battery, thereby seriously restricting the working efficiency of the lithium battery. Based on this, this article briefly compares the advantages and disadvantages of several types of energy storage components, and describes the principle, classification and thermal model of lithium ion batteries. At the same time, based on the model of 18650 lithium-ion battery, using ANSYS finite element analysis software, the temperature field of Li-ion battery at different rate discharge, the same rate discharge and different ambient temperature discharge were simulated respectively. According to the results of the finite element analysis, this paper also carried out a preliminary design of the lithium-ion battery thermal management system, including the selection of heating and cooling methods, and the layout of the heating and cooling components and the design of the battery box. Finally, the corresponding control strategy of the thermal management system is designed in this paper, thus completing all the requirements of this design.

Key words: Lithium Ion Battery；Temperature field analysis；Thermal management system；Control Strategy

第1章课题研究背景、目的及意义 1

第2章锂离子电池热特性分析 3

2.1 锂离子电池组的内部结构 3

2.2 锂电池（组）的工作原理 4

2.3 锂电池组热量产生机理 5

2.4 温度对锂电池组性能的影响 6

2.4.1 温度对电池充放电性能的影响 7

2.4.2 温度对电池SOC的影响 8

2.4.3 温度对电池电池循环寿命的影响 8

2.4.4 温度对于电池放电电压的影响 9

2.4.5 温度对于电池内阻的影响 10

2.5 锂电池组的热模型 10

2.5.1 锂电池传热形式 10

2.5.2 直角坐标三维热模型 11

2.5.3 电化学三维热耦合模型 12

2.6 课题所研究的内容 13

第3章锂离子电池单电池温度场仿真分析 14

3.1 锂离子电池的参数的选择 14

3.2 锂离子电池单电池模型的建立 16

3.3 锂离子电池单电池温度场仿真分析 17

3.3.1 不同放电倍率温度场分布 17

3.3.2 维持放电倍率不变时电池的瞬态热场 19

3.3.3 外部温度对于锂离子电池热场分布的影响 21

3.4 本章小结 24

第4章锂离子电池热管理系统及其控制策略的设计 25

4.1 热管理系统的加热与散热方式的选择 25

4.2 热管理系统部件的布置 27

4.2.1 风扇的布置 27

4.2.2 加热膜的布置 30

4.3 热管理系统的热管理程序设计 30

4.3.1 风扇的控制策略 31

4.3.2 加热膜的控制策略设计 31

4.3.3 锂离子电池热管理系统整体控制策略 32

4.4 本章小结 33

第5章总结与展望 35

参考文献 36

附录A 38

致谢 39

课题研究背景、目的及意义

当今世界，汽车已经成为了现代人们生活中不可或缺的重要部分。在市场占有率方面，传统的内燃机汽车仍占据绝对的统治地位。大量的研究表明，内燃机汽车的使用会带来一系列的弊端，其中最主要的问题有以下两个：第一，众所周知内燃机车的能量利用率极低，理想状态下的内燃机车的能量利用率也只能达到55%^[1]，从而导致能源的极大浪费；第二，由于内燃机汽车的燃料是石油，而石油里面含有大量的硫、碳和氮等元素，它们会在内燃机气缸内与空气发生剧烈反应会产生二氧化硫、二氧化碳、二氧化氮和一氧化氮等对大气和人类生活环境有着极大危害的气体，这些气体会造成温室效应和酸雨等一系列自然灾害，会对地球的生态环境造成极大的破坏。

基于内燃机汽车存在的上述问题，世界各国的科研工作者正致力于探索有效的解决办法。一系列的研究表明，当前有现实意义的方式有以下几种：混合动力汽车、燃料电池汽车和锂离子纯电动汽车。

早在1899年，德国保时捷公司的创始人Ferdinand Porsche就将汽油机和电动机联合使用在同一台汽车中研制出了世界上第一台混合动力汽车，它具有动力性能好、耗油量低于内燃机汽车和不用改变原有的驾驶习惯等^[10]。但是，其也存在诸多缺点如：依然有有害气体的排出、依然使用不可再生能源和能量利用率还是远低于纯电动汽车等，因此，它并没有在此后的几十年里面得到想象中的发展，但是它的出现为了纯电动汽车的产生和发展奠定了基础，也对纯电动车的研发有了很大的助力。在对于混合动力汽车探索无果之后，人们开始寄希望于燃料电池汽车，燃料电池汽车是利用外部电路将化学反应中的氧化还原反应中产生的电子引导起来发生定向移动从而产生电流，然后将电流通过驱动电机驱动整个电动车，所以它也是利用电能驱动的汽车，其能量利用率也大于传统的内燃机汽车，并且其所产生的有害物也远少于内燃机汽车，并且其充能的时间也很短，以氢燃料电池为例，每次充能时间仅为3分钟，但是与纯电动汽车相比，其能量转化的效率要低一些，并且其所要求的技术水平要高一些，所以目前很难得到广泛的应用，并且燃料电池汽车所要求的维修和保养得费用都高于锂离子纯电动汽车，所以目前燃料电池汽车并不是最佳的选择^[25]。锂离子纯电动汽车和燃料电池汽车一样，同样是利用氧化还原反应产生的电子引导起来发生定向移动从而产生电流，然后将电流通过驱动电机驱动整个电动车，锂离子电池具有很多优点，主要的优点有以下几个^[26]：（1）使用寿命长，可达六年以上；（2）对环境的污染小，其近乎零污染物的排放对于解决目前迫在眉睫的环境问题有很大的实际意义；（3）比能量高，目前能够达到460-600，比普通的铅酸电池要高出6-7倍；(4)温度适应性强，这使得它可以在不同的工况中正常放电；（5）自放电率很低，目前一般可达到1%/月以下，这使得它的续航能力比传统电池要好很多。因此，世界各国的科学家目前将锂离子电池作为纯电动汽车动力电池的最佳选择而进行更深入的研究。

当前，锂离子动力电池组的热管理系统的设计是保证锂离子电动汽车快速健康发展的关键环节之一。因为诸多的研究成果表明，在电池组温度过低时，电池组的工作效率会大大降低，而在电池组温度过高时，电池组的安全性会大大降低，并严重影响电池的使用寿命。本课题通过对锂离子电池温度场的仿真主要研究了锂离子电池组热管理系统的结构和功能，将其用于解决锂离子电池工作时温度场分布不均的问题，并借推动纯电动汽车的发展，达到缓解人类目前所面临的环境破坏以及能源枯竭等一系列问题的目的。

锂离子电池热特性分析

锂离子电池组的内部结构

上个世纪50-60年代，世界上出现了普遍的石油危机，正因为这次大范围的危机，关于锂离子电池的研究得到了广泛的发展，在1990年左右，第一个能投入实际生产使用的锂离子电池有日本索尼能源公司和意大利m2oli能源公司共同研发出来^[6]，这种最初的锂离子电池的正、负极材料分别为碳和钴酸锂。随着研究进一步深入，锂离子电池的结构也有了一个基本标准，锂离子电池由以下几个基本部分构成：正极、负极、电解液、隔膜和外壳。为了使电池工作更安全和稳定，我们常常会给锂离子电池加装一些附加结构，这些结构主要有以下几种：绝缘板、垫片、保护阀、PTC元件、正负极接线柱和排气孔等。其中正极接线柱通常采用铝，负极接线柱通常采用铜，绝缘板采用聚乙烯或者聚丙烯，PTC元件通常采用半导体材料^[8]。下面就是包括这些附加结构的锂电池示意图，如图2.1所示。

图2.1 锂离子电池的基本结构

锂离子电池正负极材料对于锂离子电池工作效能有着很大的影响，所以这个也是锂离子电池内部结构的重点。锂离子电池的正极材料一般有以下几种^[16]：钴酸锂()、锰酸锂()、磷酸铁锂()、等。这几种材料的不同对于锂离子电池最直接的影响在于电池的平均输出电压和能量密度。其中作为电池正极时其平均电压为3.7V，能量密度为140；作为正极材料时其平均电压为3.7V，能量密度为100；作为正极材料时其平均电压为3.2V，能量密度为130；作为正极材料时其平均电压为3.6V，能量密度为115。我们应该根据不同的要求选择不同的正极材料。锂离子电池的负极材料主要是与C元素有关的材料，有以下几种：石墨、软碳材料和硬碳材料等。这三种材料区别不大，只是在不同条件下的能量密度有所不同，所以也要根据不同的工作条件来选择这三种材料。

本文需要研究的锂离子电池组就是将很多个锂离子单体电池并联在一起构成一个电池组，这是因为驱动纯电动汽车运动时所需要的电压等级为300-400V，而一个单体锂离子电池所能提供的电压等级大概在3.2V左右，所以需要将许多电池并联起来用以提供汽车所需要的高电压。锂离子电池组的结构由电池组主体、热管理系统和湿度管理系统等构成，整个结构比较复杂就不多做介绍。

锂电池（组）的工作原理

锂离子电池的工作原理与普通化学电池没什么区别，都是通过氧化还原反应使元素化合价发生变化，在变化的过程中伴随着有电子的转移，又因为锂离子电池的电化学反应是发生在电解液中的，所以在充放电过程中还存在锂离子在正负极上脱离和嵌入的然后在两极之间转移的过程，并且在每次充放电过程中都会重复进行，正因为如此，它被形象地描述为“摇椅电池”。

在充电时，正极失去电子并产生锂离子，电子通过外部电路流向负极，锂离子从电解液中的正极区域穿过电池中间的隔膜到达负极区域，由于这些锂离子和电子的到来，负极上的碳材料与锂离子结合，同时得到电子，产生稳定的碳锂化合物，完成整个充电过程。在放电时，正极上由于充电产生的物质与电解液中的锂离子发生反应，同时得到电子，产生原有的正极材料，负极上的碳锂化合物失去电子产生碳材料和锂离子并失去电子，这样就在外部电路锂产生了从正极流向负极的电流。整个过程如图2.2所示：