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纯电动汽车动力电池包设计及散热性能分析毕业论文

 2020-02-17 10:02  

摘 要

在能源和环境日益严重的趋势下,纯电动汽车是未来重点发展方向之一,而电池作为纯电动汽车的唯一动力来源,要具备高比能量和快速充电等特点。针对纯电动商用车的实际需求,本文合理设计了电池组的布局方案和机械结构,研究了电池包的散热特性,同时对动力电池系统热管理提出合理方案,保证在复杂工况下电池包的安全性与可行性。

本研究首先对纯电动汽车动力电池系统的组成及设计的基本要求进行介绍,根据所选车型的特点,确定动力电池系统的电源容量、电池单体的型号、电池的排列方式、等各项基本参数,从而进一步设计出电池包箱体,并根据设计尺寸和合适材料用三维建模软件UG绘制出整个电池包的结构。

在了解锂电池的结构和发热原理之后,对满足结构设计的电池包三维模型进行网格划分,建立电池单体和电池组的有限元模型,并完成电池单体、电池组模块的散热仿真模拟。对电池单体和电池组分别进行不同生热倍率的仿真结果分析,依据分析的结果提出更加合理科学的电池组热管理方案并改进。

本文针对某纯电动商用车的实际需求,对纯电动汽车电池包整体的结构布置、散热系统进行了设计,完成一系列设备、参数的计算和选取,并归纳总结出最佳的设计流程。对纯电动汽车动力电池系统的整体方案设计具有一定的指导价值。

关键词:纯电动车;电池包;结构设计;散热管理

Abstract

Under the increasingly serious trend of energy and environment, pure electric vehicles are one of the key development directions in the future. As the sole source of power for pure electric vehicles, batteries must have high specific energy and fast charging. According to the actual requirements of a pure electric commercial vehicle, this paper reasonably designs the layout scheme and mechanical structure of the battery pack, studies the heat dissipation characteristics and dynamic characteristics of the battery pack,  and proposed a reasonable and scientific design method of battery pack thermal management to ensure the safety and reliability of the battery pack in complex working conditions.

This paper first introduces the basic requirements of the composition and design of the pure electric vehicle power battery system. According to the characteristics of the selected models, the power supply capacity of the power battery system, the type of the battery unit, the arrangement of the battery, and other basic parameters are determined. The battery pack body is further designed, and the structure of the entire battery pack is drawn by the three-dimensional modeling software UG according to the design size and suitable materials.

After understanding the structure and heat generation mechanism of the battery, the three-dimensional model of the battery pack that meets the structural design requirements is meshed, and the finite element model of the battery pack is established to complete the simulation of the heat dissipation of the battery cells and the battery modules. The battery cell and the battery pack were simulated separately for different heat generation rates. Based on the analysis results, a reasonable and scientific battery package heat management improvement scheme was proposed.

In view of the actual demand of a pure electric commercial vehicle, this paper designs the overall structural arrangement and heat dissipation system of the pure electric vehicle battery pack, completes the calculation and selection of a series of equipment and parameters, and summarizes the best design flow. It has certain guiding value for the overall design of pure electric vehicle battery pack.

Keywords: Battery electric vehicle;Battery pack; Mechanical design;Heat dissipation management

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1 论文研究背景和意义 1

1.1.1 论文研究背景 1

1.1.2 论文研究意义 2

1.2 动力电池系统的研究现状 2

1.2.1 动力电池系统结构布置研究现状 2

1.2.2 动力电池系统热效应研究现状 4

1.3 论文研究内容和拟采用的技术方案及措施 5

1.3.1 论文研究内容 5

1.3.2 论文研究拟采用的技术方案及措施 5

第2章 电池包结构设计 7

2.1 电池包设计要求 7

2.2 电池包基本参数的确定 7

2.2.1 商用车的相关参数的选定 7

2.2.2 电机选择 7

2.2.3 电压的选取 8

2.2.4 电源系统参数的计算 8

2.2.5 电池单体的选型 9

2.2.6 电源系统成组设计 10

2.2.7 电池单体的布局排置 11

2.2.8 电池箱体的设计 11

2.2.9 电池包的布置 12

2.3 电池包结构强度仿真分析 13

2.4 本章小结 15

第3章 电池包散热分析 16

3.1 电池简介 16

3.1.1 电池结构 16

3.1.2 锂离子电池产热机理 16

3.1.3 电池的产热过程 17

3.1.4 锂离子产热组成 17

3.2 电池理论产热量 18

3.2.1 电池特性参数 18

3.2.2 电池理论计算 19

3.3 冷却系统的选取 19

3.3.1 无冷却系统的温升 19

3.3.2 冷却方式的确定 20

3.3.3 风扇的选型 22

3.4 有限元模型 22

3.4.1 有限元应用软件 22

3.4.2 仿真的必要性 23

3.5 电池单体热力学仿真分析 23

3.5.1 模型的简化 23

3.5.2 网格划分 24

3.5.3 边界条件及求解处理 25

3.5.4 结果分析 27

3.6 电池组热力学仿真分析 30

3.6.1 几何模型的简化 30

3.6.2 网格划分 30

3.6.3 边界条件及求解处理 31

3.6.4 结果分析 33

3.7 本章小结 40

第四章 总结与展望 41

4.1 总结 41

4.2 展望 41

参考文献 43

致谢 45

绪论

1.1 论文研究背景和意义

1.1.1 论文研究背景

随着时代发展,当今世界车辆的保有量仍持续增长中,因此而带来的能源缺乏和环境污染问题也越来越明显。商用车在各个领域的建设和发展中起着非常重要的作用,占据我国汽车保有量的30%。据统计,1 辆商用车尾气排放量大致相当于100辆乘用车尾气排放,这对环境造成了严重的影响[1]。为解决汽车带来的能源和环境问题,汽车的动力供给方式在科技进步及能源环境的驱使下将会有新的变化,汽车及汽车的相关产业也将会有新的模式,更加的环保和更高的效率将会是汽车行业发展必然的走向[2],因此中国近年开始发展新能源汽车,其中纯电动汽车是重点发展方向之一。据相关数据显示,截至年2018年第三季度,新能源汽车数量接近221万辆,其中新能源商用车25.4万辆,占新能源汽车的11.5%;纯电动汽车数量占新能源汽车的80.5%;数据中还显示纯电动客车19.4万辆的数量位居世界首位。在与世界其他工业强国的竞争过程中,我国将纯电动汽车作为中国7大战略性新兴产业之一,并且颁布《“十三五“电动汽车发展战略规划》、《我国电动汽车“十三五”规划总体目标》、《节能与电动汽车产业发展规划》等相关政策,积极鼓励电动汽车行业的发展[3]。在市场中,需要巩固和提升大客车方面的规模成果,推动乘用车和其他车辆的市场化进程[4]

在纯电动汽车中,电池系统是唯一动力来源,需具备高比能量与快速充电等特点。动力电池系统从"十二五"电动汽车重大专项中逐渐发展,在科技部启动“十三五”电动汽车科技规划制定,纯电技术的超前研发中,未来乘用车的单体电池发展重点是高比能量低成本动力电池,而客车的单体电池的发展关键在大功率充放电和超长寿命动力电池。在《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中,到2020年动力电池的相关指标做出了严格的规定。目前,电池的推广与使用促进着电动汽车的发展与进步,但在行驶里程、使用成本和安全性等方面都需要进一步的改善。同时,电池的热管理设计与使用期间电池的性能和寿命也有关,动力电池需保持在合适温度,以确保电动汽车各种性能和使用寿命稳定性。动力电池系统需要合理的设计、正确的管理来达到安全驾驶的要求。

1.1.2 论文研究意义

电动汽车的发展将会对改善能源紧缺、环境污染等状况有着显著作用。电动车辆相比传统型车辆会有更多优势:(1)零排放,无污染(2)能量效率高(3)噪音小,更舒适(4)零部件减少,结构简单。这些优势对解决环境污染、能源紧缺有着举足轻重的作用。在与国外汽车行业的竞争中,传统燃油汽车我国与汽车强国之间差距明显,但在纯电动汽车方面,我国与其他汽车强国差距不大,特别是纯电动商用车相关领域方面,我国居于各国领先层次。

电池是纯电动汽车中的重要部分,电池包的合理布局和设计、热效应准确管理控制都会对电池的性能与寿命起着重要影响。因此本文研究的电池包机械结构的设计对整个纯电动商用车的动力性、操纵稳定性和舒适性有着直接影响,动力电池的空间布置与不同种类的校核是汽车机械部分设计的需要;电池的热效应对电动商用车的行驶里程、动力性有着直接关系,仿真分析电池的热效应对发现纯电动商用车的问题有着帮助,进一步的优化设计方案将会很大程度提高动力电池的性能、寿命和安全性。

1.2 动力电池系统的研究现状

电池包为纯电动汽车供给能量,除了需合理设计电池包的相关机械固定结构外还应合理设计各种电池的监管控制模块。目前国内外都在研究动力电池系统以提高纯电动汽车的性能,电池包的结构和热管理都需要与车辆良好搭配,从而提供一个安全可靠的行驶条件。

1.2.1 动力电池系统结构布置研究现状

比亚迪电动卡车将底盘相关部件布置到驾驶仓后面,从而把底盘空间预留给动力电池组,该卡车使用磷酸铁锂电池,动力电池系统进行高安全防护,电源系统容量435kWh,搭载新款电池包热管理系统,可自主控制电池电芯温度在最佳范围,从而提供最佳驾驶性能。

图 1.1 比亚迪电动卡车左右电池包

特斯拉Semi电动卡车是一种重型半挂卡车,该卡车电池与4台电动机布置于驾驶室下方后桥位置处。电池包的布置保持结构紧凑的同时尽可能提升车辆的被动安全性能。该卡车采用18650、21700型三元锂电池,有8至10万节电芯串并联,配置1套管路繁杂的水冷散热(低温预热)系统。

图 1.2 Tesla Semi电动卡车电池包的位置

梅赛德斯重型卡车eActros在原车型进行改造,动力部分主要升级改进了电驱动。3个位于车身内侧,8个相互重叠的电池组布置于车架下方,组成240kWh容量的动力电池系统。底盘被多数电池所覆盖,电池外壳配带保护材料满足安全要求。

图 1.3 梅赛德斯重卡eActros电池包的位置

沃尔沃FL/FE电动卡车同样从传统燃油车改造而来。发动机最初放置在驾驶室下方的位置成为电动卡车的控制单元;电池包位于车身两边,而驱动电机则大概设计在传统车型变速器处。动力电池系统由6个锂离子电池套装组成,续航里程最远达到300km,而它的充电时间,直流快充1-2小时,普通电源10个小时左右。

图 1.4 沃尔沃FL 电动卡车电池包的位置

除了比亚迪、奔驰、特斯拉等公司在不断发展纯电动商用车外,还有很多国内外车企将对纯电动商用车这个市场进行投入。汽车制造商Orange EV生产的纯电动商用卡车在市场已有部分投入使用;TransPower公司新生产的电动商用卡车,也将作为短途运输车辆投入市场。在纯电动车辆发展的前景下,我国纯电动商用车的应用需求也在持续增加,将会有越来越多的纯电动商用车投入市场应用。

1.2.2 动力电池系统热效应研究现状

Dong Hyup Jeon[5]等人建立了锂电池在充电与放电循环时热量变化模型,该模型解释电池产热与各单元熵变生出的热对电池产热的影响。并对圆柱型锂电池的进行仿真模拟,得到锂电池的温度分布情况,最后对比实验和仿真结果分析影响电池温度上升的主要因素,其中包括不同放电倍率、冷却条件和正极材料。

Hawlader[6]等人研究的控制蒸发电池热管理系统(EC-BThMS)可以在充放电模式下将电池温度控制在20 ~ 40摄氏度之间,具有较低的能耗。该系统已用于估算电池的总冷负荷和散热情况。基于电池温度传感器响应的控制系统,利用EC-BThMS对电压缩机和膨胀阀进行控制,可以达到更加节能的效果。

Duan 和 Naterer[7]用试验对两种PCM 热管理方式进行了实验分析,试验表明,两种不同情况的 PCM 电池热管理的效果都可稳定加热器温度,以保证电池性能最佳。本研究为电动汽车电池模块PCM热管理的有效热设计提供了新的实验数据。对比其他的散热方式,采用相变材料热管理结构简单、更易于安装、无需提供能量,适合更复杂、更多变的工作环境。

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