《汽車動(dòng)力裝置仿真與設(shè)計(jì)》 課件 第六章 新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)

汽車動(dòng)力裝置仿真與設(shè)計(jì)第6章新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)6.1新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)概述6.2動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理仿真與設(shè)計(jì)6.3動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)仿真與設(shè)計(jì)1.純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車——以動(dòng)力電池為能源的新能源汽車新能源汽車使用動(dòng)力電池為能源的有純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，按照《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，混合動(dòng)力新車到2025年、2030年、2035年占傳統(tǒng)能源乘用車的50%以上、75%以上、100%。新能源汽車到2025年、2030年、2035年占總銷量的20%左右、40左右、50%以上[1]。可見，在乘用車領(lǐng)域（主要是轎車和SUV等）逐步替代僅以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力裝置的傳統(tǒng)汽車。根據(jù)《財(cái)政部關(guān)于提前下達(dá)2022年節(jié)能減排補(bǔ)助資金預(yù)算的通知》中年新能源汽車補(bǔ)貼資金達(dá)385億元，其中包含：2016-2018年度新能源汽車推廣應(yīng)用補(bǔ)助清算資金99.84億元；2019年度新能源汽車推廣應(yīng)用補(bǔ)助清算資金101.85億元；2019-2020年度新能源汽車推廣應(yīng)用補(bǔ)助預(yù)撥付資金183.10億元[2]。我國(guó)從國(guó)家層面對(duì)以動(dòng)力電池為能源的新能源汽車大力發(fā)展，可有效減少對(duì)化石燃料的消耗和依賴，并降低碳排放、NOx和顆粒物等污染物排放，體現(xiàn)了生態(tài)文明建設(shè)的決心和制度力量。1.純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車——以動(dòng)力電池為能源的新能源汽車混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力主要來源于動(dòng)力電池和內(nèi)燃機(jī)，例如圖6-1比亞迪唐DM-i超級(jí)混合動(dòng)力系統(tǒng)。圖6-1比亞迪唐DM-i超級(jí)混合動(dòng)力系統(tǒng)純電動(dòng)汽車中沒有內(nèi)燃機(jī)，其動(dòng)力來源于動(dòng)力電池。圖6-2為特斯拉Model3單電池、電池包和電池包在整車的布置情況。特斯拉使用的圓柱形鋰離子電池的發(fā)展歷程為由使用18650鋰電池，到使用2170鋰電池，到使用4680鋰電池（2023~2024）。圖6-2特斯拉Model3單電池、電池包和布置[4]1.純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車——以動(dòng)力電池為能源的新能源汽車2.動(dòng)力電池分類車用鋰離子電池在車用中最常用的類型為三元鋰電池（正極材料常為鎳鈷錳三元、鎳鈷鋁三元）和磷酸鐵鋰電池。在動(dòng)力電池領(lǐng)域，目前我國(guó)的寧德時(shí)代、比亞迪以及韓國(guó)LG和日本松下等企業(yè)是世界領(lǐng)軍企業(yè)。寧德時(shí)代近年來動(dòng)力電池裝機(jī)量長(zhǎng)期位居全球第一，2021年寧德時(shí)代發(fā)布了第一代鈉離子電池和鋰鈉混搭電池包。比亞迪的刀片電池是比亞迪系列電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車具有特色的主要?jiǎng)恿ρb置。2.動(dòng)力電池分類電池包中，電芯按結(jié)構(gòu)分又分為了圓柱形、方形、刀片和軟包等型式，見圖6-3。每種型式都有很多企業(yè)在研發(fā)和生產(chǎn)，其中圓柱形電池的典型廠商有日本松下等，方形電池的典型廠商有寧德時(shí)代等，刀片電池的的典型廠商有比亞迪等，軟包電池的典型廠商有韓國(guó)LG等。圖6-3電芯按結(jié)構(gòu)分類a)圓柱形

b)方形c)刀片e)軟包3.鋰離子電池結(jié)構(gòu)和工作原理鋰電池結(jié)構(gòu)如圖6-4所示。該電池為18650圓柱形電池，其長(zhǎng)為

65mm，直徑為18mm。主要由正極、負(fù)極、隔膜、電解液、電池外殼、安全閥、PTC元件等組成。圖6-4鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖以磷酸鐵鋰電池為例，電池正極材料為磷酸鐵鋰(LiFePO4)，負(fù)極材料常為石墨，外殼材料常為鋼殼或鋁殼等。隔膜位于正負(fù)極之間，常為聚烯烴薄膜，其作用是將正、負(fù)極分開，允許鋰離子通過，阻止電子通過。電解液一般為溶有LiPF6等鋰鹽的碳酸酯類溶劑，如碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)或碳酸二乙酯（DEC）。正極、負(fù)極材料和隔膜均浸在電解液中，充放電過程中在正、負(fù)極之間通過電解液輸運(yùn)電荷與鋰離子。鋰離子電池在首次充電過程中，由于負(fù)極材料石墨充電后形成LixC6與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而在負(fù)極表面上形成一層致密的鈍化層，該鈍化層被稱為固體電解質(zhì)界面膜（solidelectrolyteinterface，簡(jiǎn)稱SEI膜）[5]。鋰離子電池在充、放電過程中，鋰離子以電解液為介質(zhì)，不斷在正、負(fù)極材料上嵌入與脫出，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。電池充電時(shí)，鋰離子從電池正極脫離，經(jīng)過電解液到達(dá)電池負(fù)極，電池負(fù)極是具有多微孔的層狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)鋰離子便嵌入負(fù)極中；電池放電時(shí)，鋰離子從電池負(fù)極脫離經(jīng)過電解液嵌入到正極中。以磷酸鐵鋰電池為例，磷酸鐵鋰電池充放電過程中發(fā)生的反應(yīng)為[6]：圖6-5磷酸鐵鋰電池工作原理[6]4.動(dòng)力電池系統(tǒng)組成動(dòng)力電池系統(tǒng)是一種電能存儲(chǔ)裝置，其主要功能是通過電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，動(dòng)力電池研究分為三個(gè)級(jí)別：?jiǎn)坞姵兀ㄒ步须娦荆?、電池模組和電池包。對(duì)于車用動(dòng)力電池系統(tǒng)，通常電動(dòng)乘用車由一個(gè)電池包構(gòu)成，電動(dòng)商用車尤其是電動(dòng)大巴車通常由多個(gè)電池包和獨(dú)立的高壓箱組成。例如，BMWi3動(dòng)力電池系統(tǒng)有一個(gè)電池包，其中一共有96個(gè)電芯，每12個(gè)電芯組成一個(gè)電池模組，一共有8個(gè)電池模組。動(dòng)力電池系統(tǒng)主要的子部件結(jié)構(gòu)有：1）電池模組。主要由單體電池、模組結(jié)構(gòu)件（如端板、側(cè)板、底板、蓋板、絕緣、導(dǎo)熱部件等）、電池參數(shù)檢測(cè)傳感器（如溫度/電壓采樣傳感器及線束等）、電氣連接部件（如電芯串并聯(lián)匯流排、模組輸出極等）等組件構(gòu)成。2）電池箱體結(jié)構(gòu)組件。主要由電池箱體（上蓋、下殼體）、固定/支撐結(jié)構(gòu)部件（支架、壓板/壓條等）、密封組件（如密封條）、平衡閥（具有防爆功能）、標(biāo)準(zhǔn)件（如螺栓、螺母、墊片等）等組件構(gòu)成。3）電子電氣組件。主要由電池管理系統(tǒng)、繼電器、保險(xiǎn)絲、電流傳感器、預(yù)充電阻、高/低壓線束、連接器等組件構(gòu)成。4）熱管理系統(tǒng)組件。冷板、軟管、管接頭、彈性支撐、電阻絲/加熱膜等組件構(gòu)成。5）功能輔件。平衡防爆閥、卡扣、扎帶、密封圈/墊、密封膠、導(dǎo)熱膠等組件構(gòu)成。5.動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能參數(shù)動(dòng)力電池的性能參數(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：容量、電壓、內(nèi)阻、能量、功率、荷電狀態(tài)、循環(huán)使用壽命和自放電率等。1）容量電池容量表示電池存儲(chǔ)電量的大小，是指一定條件下電池放電到截止電壓時(shí)放出的電量。電池容量由電極的容量決定，若電極的容量不等，則電池的容量取決于容量小的那個(gè)電極，而不是正負(fù)極容量之和。單位為Ah。理論容量：假設(shè)電池中的活性物質(zhì)全部參與成流反應(yīng)，依據(jù)法拉第定律計(jì)算所能給出的

電量稱為理論容量，是電池容量的最大極限值。實(shí)際容量：為充滿電的電池在一定條件下放電到終止電壓所能輸出的電量，可以用放電

電流與放電時(shí)間乘積表示。額定容量：指按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件，電池應(yīng)該放出的最低限度的容量。由生產(chǎn)廠家明確標(biāo)識(shí)。2）電壓開路電壓：指外電路沒有電流流過時(shí)電極間的電位差，為電動(dòng)勢(shì)與電極過電位之和。

理論充電電壓與理論放電電壓相等，通常稱為開路電壓。工作電壓：即放電電壓或負(fù)載電壓，與放電時(shí)間、放電電流、環(huán)境溫度和終止電壓等因

素有關(guān)。工作電壓可表示為開路電壓與電流在電池內(nèi)部阻抗上產(chǎn)生的電壓降之和。3）內(nèi)阻電池在短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)模型可以看作一個(gè)電壓源，其內(nèi)部阻抗即等效為電壓源內(nèi)阻。內(nèi)阻的存在使電池的輸出電壓降低，即電池的工作電壓總是小于電動(dòng)勢(shì)或開路電壓。電池內(nèi)阻由歐姆電阻和極化電阻兩分組成，在充放電過程中不斷變化。內(nèi)阻過大或過小都不正常，內(nèi)阻過小可能存在材料枝晶生長(zhǎng)和微短路，內(nèi)阻太大又可能使極板老化、活性物質(zhì)喪失、容量衰減。4）能量在標(biāo)準(zhǔn)放電條件下，電池所輸出的電能稱為電池的能量，可以表示為電池的額定電壓與容量的乘積，單位為瓦時(shí)（W·h）。5）能量密度質(zhì)量能量密度：即比能量，是指電池單位質(zhì)量所能輸出的電能，單位為Wh/kg。質(zhì)量能量密度與電動(dòng)汽車的整車質(zhì)量和續(xù)駛里程直接相關(guān)，是評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池滿足設(shè)計(jì)續(xù)駛里程與否的重要指標(biāo)。體積能量密度：是指電池單位體積(1L)所能輸出的電能，單位為Wh/L。體積能量密度與動(dòng)力電池的空間布置有關(guān)。6）功率電池的功率是一定的標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位為W。7）功率密度質(zhì)量功率密度：即比功率，是指電池單位質(zhì)量所能輸出的功率，單位為W/kg。體積功率密度：是指電池單位體積(1L)所能輸出的功率，單位為W/L。功率密度是評(píng)價(jià)動(dòng)力電池能否滿足電動(dòng)汽車加速與爬坡能力的重要指標(biāo)。8）荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)（StateofCharge,SOC）：描述電池剩余容量占額定容量的百分比。荷電狀態(tài)是電池運(yùn)行的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)。9）放電深度放電深度（DepthofDischarge,DOD）：描述電池已放出的電量占額定容量的百分比。放電深度越高，電池壽命越短。10）充放電倍率電池在工作中的電流強(qiáng)度常使用倍率來表示，電池以某電流強(qiáng)度放電的數(shù)值為電池額定容量數(shù)值的倍數(shù)，常用C表示。如額定容量10Ah的電池以20A的電流強(qiáng)度放電，則此時(shí)的放電倍率為2C。11）循環(huán)使用壽命以電池充電和放電為一個(gè)循環(huán)，按一定的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池容量降低到某一規(guī)定值（額定值得80%）以前電池經(jīng)歷的充放電循環(huán)次數(shù)稱為循環(huán)使用壽命。隨充放電次數(shù)增加，動(dòng)力電池中的化學(xué)活性物質(zhì)會(huì)發(fā)生老化，充、放電效率降低，乃至部分或完全喪失充、放電能力。12）自放電率充好電的電池在存放期問，雖未與外部負(fù)荷相連，但仍會(huì)有容量損失。容量下降主要是由負(fù)極腐蝕和正極自放電引起的。自放電率是指單位時(shí)間內(nèi)容量降低的百分?jǐn)?shù)。第6章新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)6.1新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)概述6.2動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理仿真與設(shè)計(jì)6.3動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)仿真與設(shè)計(jì)6.2.1鋰離子電池?zé)峁芾淼谋匾噪姵販囟葘?duì)鋰離子動(dòng)力電池的整體性能影響顯著，包括對(duì)電池的容量、功率、內(nèi)阻、充放電效率、安全性和壽命等重要性能參數(shù)的影響。

當(dāng)鋰離子動(dòng)力電池在適宜的工作范圍內(nèi)工作時(shí)，隨溫度升高其內(nèi)部電解液活性提高，電池的充放電電壓和容量增加，鋰離子擴(kuò)散速率增加，電池內(nèi)阻減小，充放電效率增加。有研究表明，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率與溫度呈指數(shù)關(guān)系，大約每增加10℃化學(xué)反應(yīng)速率將加倍。但溫度過高超過工作范圍時(shí)，加快了電池內(nèi)部的副反應(yīng)，這些副反應(yīng)使電池內(nèi)部電解液分解且電極發(fā)生降解，易造成電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不可逆損壞，導(dǎo)致電池性能降低、壽命下降。當(dāng)溫度過低時(shí)，鋰離子活性較低，遷移速率較低，電池內(nèi)阻、極化電壓增大，充放電功率和容量會(huì)顯著降低，甚至引起電池容量不可逆衰減。

有研究表明鋰電池在60℃時(shí)循環(huán)壽命僅為45℃循環(huán)壽命的1/3左右，壽命衰減顯著。電池箱內(nèi)溫度分布不均勻會(huì)造成各電池模塊和單體電池性能不均勻，局部高溫區(qū)老化速率明顯快于低溫區(qū)，隨時(shí)間的積累不同電池之間的物性差距更加明顯，電池之間的一致性變差，甚至局部提前失效，給整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性和壽命帶來危害。鋰離子動(dòng)力電池的生熱速率與其工作電流呈二次曲線關(guān)系，生熱速率隨電流的增加而急劇增大，尤其是高倍率充電時(shí)溫升較大。環(huán)境溫度較高時(shí)或高倍率充放電時(shí)應(yīng)采取必要的散熱措施，同時(shí)控制充放電功率，防止電池過熱。當(dāng)?shù)蜏丨h(huán)境下，需要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)加熱才能維持電池性能。綜上，動(dòng)力電池?zé)峁芾硎欠浅Ｓ斜匾摹?.2.2鋰離子單電池產(chǎn)熱和熱狀態(tài)整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的熱來源于單體鋰離子電池的產(chǎn)熱。因此，鋰離子電池產(chǎn)熱模型是鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理仿真的基礎(chǔ)。單體鋰離子電池工作狀態(tài)不同時(shí)，產(chǎn)熱量不同。圖

6-6為某單體

18650型車用三元鋰電池在15℃環(huán)境溫度，2.0C放電倍率下放電深度達(dá)到0.8時(shí)表面測(cè)試溫度。在持續(xù)性放電過程中，電池外表面溫度場(chǎng)分布特性為：在軸向上，電池中間溫度高于兩側(cè)溫度；在周向上，電池一側(cè)母線溫度高于另一側(cè)母線溫度。圖6-615℃、2.0C放電倍率下，DOD=0.8時(shí)測(cè)量點(diǎn)溫度[8]1.鋰離子電池產(chǎn)熱模型已有研究表明正常工作的鋰離子電池產(chǎn)生的熱量Q（單位W）主要由反應(yīng)熱、副反應(yīng)熱、極化熱和焦耳熱組成：

（6-2）1）反應(yīng)熱反應(yīng)熱是指鋰離子電池在充放電過程中，正負(fù)極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量。鋰電池在充電過程中反應(yīng)熱為負(fù)值，其電化學(xué)反應(yīng)為吸熱反應(yīng)；在放電過程中反應(yīng)熱為正值，其電化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)。其不同形式為：或

（6-3）式中，

Q1為化學(xué)反應(yīng)中熱量的代數(shù)和；F為法拉第常數(shù)，96484.5C/mol；I為工作電流；E為開路電壓；T為電池溫度。2）副反應(yīng)熱鋰離子電池在過充或過放電條件下，會(huì)產(chǎn)生副反應(yīng)熱，主要是電解質(zhì)分解產(chǎn)生的熱量，在電動(dòng)汽車中電池組有專有的電池組管理系統(tǒng)，能很好的避免電池使用過程中的過充與過放行為，因此，副反應(yīng)熱通常忽略不計(jì)。3）焦耳熱鋰離子電池內(nèi)部材料不同，電流通過極柱、電解液、隔膜、SEI膜等都會(huì)有一定的電阻，實(shí)際充放電過程中，由于電池內(nèi)部電阻導(dǎo)致電池產(chǎn)生明顯的生熱現(xiàn)象。因此，電池內(nèi)部的焦耳熱成為電池?zé)崃康闹饕獊碓础Ｍㄟ^焦耳定律可以計(jì)算得到：式中，Ｉ為充放電過程中的電流；Re為電池內(nèi)的歐姆電阻。4）極化反應(yīng)熱當(dāng)電池內(nèi)部有電流通過時(shí)，在電極的表面會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，結(jié)果就是實(shí)際電極的電勢(shì)就偏離了平衡電極的電勢(shì)而產(chǎn)生了壓差，因?yàn)檫@部分壓差而產(chǎn)生的熱量就是極化熱。式中，為極化內(nèi)阻阻值。綜上，忽略副反應(yīng)熱,鋰離子電池產(chǎn)生的熱量鋰離子電池產(chǎn)熱率模型經(jīng)典的模型有Bernardi模型，該模型假設(shè)電池內(nèi)部材料均勻產(chǎn)熱，考慮反應(yīng)熱、焦耳熱和極化反應(yīng)熱，結(jié)合式（6-3）和（6-4）也可推導(dǎo)出Bernardi公式（6-5）：（6-5）式中，q為電池的體積產(chǎn)熱率（W/m3），q=Q/V；I為工作電流（A）；V為電池體積（m3）；U為工作電壓（V）；E為開路電壓（V）；T為電池溫度（K）；R為電池內(nèi)阻（Ω）。新加坡電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中心的Zhang以不同放電倍率0.5C、1C和1.7C進(jìn)行仿真，結(jié)果表明歐姆熱是最大熱來源，所占比例高達(dá)54%，大多數(shù)歐姆熱由鋰離子在電解液中的傳導(dǎo)阻力產(chǎn)生，而化學(xué)反應(yīng)熱和極化熱各占30%和16%[9]。公式（6-4）和（6-5）在目前計(jì)算鋰電池產(chǎn)熱率時(shí)都有使用。區(qū)別就是反應(yīng)熱使用公式（6-3）時(shí)的選擇不同。2.產(chǎn)熱模型中參數(shù)來源由Bernardi模型可知，計(jì)算電池生熱速率的關(guān)鍵在于獲得電池的內(nèi)阻、溫度及電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)，這些參數(shù)可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得。電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)需要測(cè)試隨SOC的變化曲線。通過混合脈沖功率特性測(cè)試(HybridPulsePowerCharacterizationTest,HPPC)可以獲得不同電池溫度和不同荷電狀態(tài)下的電池內(nèi)阻。還可參考已有研究文獻(xiàn)中的測(cè)試值和規(guī)律，如許建青[10]歸納的18650磷酸鐵鋰電池內(nèi)阻和電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)模型：1）歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻模型在內(nèi)阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，采用HPPC方法測(cè)量了45℃、30℃、15℃、0℃、-15℃五種溫度下單體鋰離子電池在不同況SOC下的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。根據(jù)表6-1HPPC法的內(nèi)阻測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，得到歐姆內(nèi)阻模型和極化內(nèi)阻模型。其中，歐姆內(nèi)阻模型：（6-6）極化內(nèi)阻模型：（6-7）式中，T為電池?cái)z氏溫度（℃）；Re為電池內(nèi)的歐姆電阻；Rpo為1C放電倍率下的電池極化內(nèi)阻（mΩ）。

電池的極化內(nèi)阻不僅與電池的溫度和SOC有關(guān)，還與電池的放電電流大小有關(guān)。根據(jù)極化內(nèi)阻關(guān)于放電電流變化規(guī)律的研究相關(guān)研究，電池不同放電倍率下的極化內(nèi)阻可通過1C放電倍率下的極化內(nèi)阻乘以某個(gè)系數(shù)得到：（6-8）

1C2C3C4C5C30℃10.50.81.11.215℃10.50.90.90.90℃10.50.80.70.6-15℃10.60.40.40.3表6-2極化內(nèi)阻系數(shù)kp2）電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)SOC對(duì)電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)影響顯著，而研究表明鋰離子電池電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)受電池溫度的影響很小，可以忽略不計(jì)。通過電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)測(cè)得20℃下單體鋰離子電池電動(dòng)勢(shì)Ｅ1與10℃下電動(dòng)勢(shì)Ｅ2并計(jì)算得到

獲得不同SOC下電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)，見表6-3。SOC00.20.40.60.81.0E1/V3.16973.28813.30973.31473.34183.3497E2/V3.14233.27903.30833.31283.34003.3473(

)/(mV·K-1)2.740.910.140.190.180.24表6-3電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)根據(jù)表6-3測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合，得到電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)：3.單體電池?zé)釥顟B(tài)仿真鋰離子電池?zé)崮Ｐ头诸惙椒ㄒ话惆凑战Ｔ怼?/p>

建模維度和對(duì)模型參數(shù)設(shè)置等

3種方式劃分。按照建模維度不同，模型分為零維模型（質(zhì)量集中模型）、一維模型、二維模型和三維模型；根據(jù)對(duì)模型中參數(shù)處理方法的不同，鋰離子電池?zé)崮Ｐ头譃榫换瘏?shù)模型和分布式參數(shù)化模型；按照建模原理，鋰離子電池?zé)崮Ｐ蛣澐譃殡娀瘜W(xué)-熱耦合模型、熱濫用模型和電-熱耦合模型。當(dāng)研究目標(biāo)是動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理，而不是詳細(xì)的單電池仿真時(shí)，可對(duì)單體電池?zé)釥顟B(tài)仿真作適當(dāng)簡(jiǎn)化，對(duì)鋰離子單電池?zé)釥顟B(tài)仿真作以下假設(shè)：1）忽略電池內(nèi)部的電解液與其他部分的對(duì)流換熱，認(rèn)為電池內(nèi)部的傳熱過程為導(dǎo)熱過程；2）將電池內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為均勻整體，電池內(nèi)部密度、比熱相同，且不受電池溫度和SOC等因素影響；3）電池在三個(gè)方向有不同的導(dǎo)熱系數(shù)且不隨電池溫度、SOC變化，對(duì)于圓柱電池使用柱坐標(biāo)系是徑向、周向和軸向；對(duì)于方向電池使用笛卡爾坐標(biāo)系是x,y,z三個(gè)方向，其他類型根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)情況確定。4）電池工作過程內(nèi)部生熱速率均一。根據(jù)假設(shè)1)，電池內(nèi)部傳熱形式只有熱傳導(dǎo)，傳熱計(jì)算方程為：式中，T為電池溫度；ρ為電池密度；cp為電池比熱容；q為鋰離子電池單位體積產(chǎn)熱速率，是電池傳熱的熱源項(xiàng)，通過鋰離子電池產(chǎn)熱模型（6-5）獲得。λx、λy、λz分別是鋰離子電池在三維正交方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。電池密度通過質(zhì)量除以體積獲得。質(zhì)量采用天平測(cè)得，體積通過幾何測(cè)試獲得。電池比熱容可以使用量熱計(jì)測(cè)定，也可以通過理論計(jì)算利用加權(quán)平均的方法得出。具體公式為：對(duì)于導(dǎo)熱系數(shù)的確定，圓柱電池沿徑向的導(dǎo)熱性能可看作是內(nèi)部各材料導(dǎo)熱熱阻的串聯(lián)組合，周向和軸向是內(nèi)部各材料導(dǎo)熱熱阻的并聯(lián)組合。方形電池正負(fù)極方向上看作導(dǎo)熱熱阻的串聯(lián)組合，另外兩個(gè)方向看作導(dǎo)熱熱阻的并聯(lián)組合。其他類型根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)情況確定。磷酸鐵鋰方形電池分層處理見圖6-7。串聯(lián)過程

并聯(lián)過程圖6-7磷酸鐵鋰方形電池內(nèi)部疊層狀1-磷酸鐵鋰涂層，2-鋁箔，3-隔膜與電解液，4-銅箔，5-石墨涂層，6-電池內(nèi)核劃分單體電池網(wǎng)格，見圖6-8。初始溫度和邊界條件根據(jù)單體電池所處實(shí)際工作情況和環(huán)境設(shè)定，如初始溫度設(shè)為室溫；自然對(duì)流換熱時(shí)表面換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為5W/m2·K，一般強(qiáng)度的強(qiáng)制對(duì)流時(shí)表面換熱系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值為10W/m2·K，高強(qiáng)度的強(qiáng)制對(duì)流時(shí)表面換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值為25W/m2·K；在電池單體放電溫升特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，電池正負(fù)極端面用金屬圓柱夾住固定，圓柱上下底面通過等效換熱系數(shù)來考慮（例如100W/m2·K）。計(jì)算完成得到單體電池的溫度場(chǎng)，應(yīng)通過單體電池溫升實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，圖6-9為18650磷酸鐵鋰電池30℃放電溫升實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比。圖6-8單體電池網(wǎng)格

圖6-918650磷酸鐵鋰電池30℃放電溫升實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比6.2.3鋰離子動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)CFD仿真與設(shè)計(jì)1.熱管理系統(tǒng)分類鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾戆ɡ鋮s、加熱和保溫等環(huán)節(jié)。其中冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真最為重要和復(fù)雜。動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)根據(jù)冷卻介質(zhì)可以分為空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻，見圖6-10~圖6-12。根據(jù)能量消耗來源分為被動(dòng)冷卻（即僅限于使用周圍環(huán)境）和主動(dòng)冷卻（內(nèi)置熱源提供加熱或冷卻）。根據(jù)冷卻介質(zhì)和電池表面接觸與否分為直冷與非直冷。根據(jù)電池排列方式分為串行、并行、串行+并行、交叉等。此外還有熱管冷卻、熱電冷卻、噴霧冷卻、使用水凝膠等方式的研究。鋰離子動(dòng)力電池在環(huán)境溫度較低進(jìn)行充電時(shí)，常見的加熱方式有電加熱膜加熱、PTC（PositiveTemperatureCoefficient）加熱和液熱。保溫主要通過保溫材料實(shí)現(xiàn)，如聚苯乙烯、隔熱棉、氣凝膠氈、真空隔熱板等。圖6-12相變材料冷卻（以純石蠟為例）a）串行b）并行圖6-13強(qiáng)制風(fēng)冷的串行和并行布置2.熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和評(píng)價(jià)（1）冷卻設(shè)計(jì)目標(biāo)和評(píng)價(jià)1）確保電芯的工作溫度合適動(dòng)力電池的工作溫度范圍為

20~40℃，最高不超過45℃。動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度控制在-20~60℃外部環(huán)境中能正常工作。2）不同電芯間的工作溫度應(yīng)均勻，溫差應(yīng)小。電池單體間的溫度差應(yīng)小于5℃。3）控制冷卻系統(tǒng)流動(dòng)壓降。液冷系統(tǒng)壓降一般控制在20~30kPa；對(duì)于圓柱電芯的電池液冷系統(tǒng)壓降一般在60~70kPa。（2）低溫時(shí)的加熱設(shè)計(jì)目標(biāo)和評(píng)價(jià)1）控制加熱過程升溫速率和單體電池間的溫差。加熱系統(tǒng)一般要求單體電池升溫速率在0.15~0.8℃/min范圍內(nèi)，單體電池間的溫差控制在10~~15℃以內(nèi)。2）控制加熱系統(tǒng)干燒溫度。加熱系統(tǒng)的干燒溫度控制在65℃以下。（3）控制保溫效果。例如，非工作狀態(tài)下，電池原始溫度40℃，長(zhǎng)期暴露在-15℃環(huán)境下，電池單體溫度降低到0℃的時(shí)間≥6h。3.動(dòng)力電池模組和電池包的熱狀態(tài)和冷卻仿真和設(shè)計(jì)(1)冷卻方式的選擇與動(dòng)力電池仿真熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的冷卻方式，如：1）根據(jù)電池包運(yùn)行工況，獲取單體電池的產(chǎn)熱功率隨時(shí)間變化的曲線；2）提出對(duì)電池單體溫度和對(duì)單體電池間溫度控制的要求；3）進(jìn)行不同環(huán)境溫度和放電倍率下的單體電池傳熱仿真計(jì)算，獲得不同對(duì)流傳熱系數(shù)下單體電池溫度；4）根據(jù)仿真結(jié)果和對(duì)單體電池的溫度要求，結(jié)合不同冷卻方式的冷卻效率，大致確定薦一種或幾種可選的冷卻方式。冷卻方式對(duì)流傳熱系數(shù)(W/m2·K)表面熱流密度(W/cm2)(與環(huán)境溫差10℃)空氣自然冷卻5~250.005~0.0025空氣強(qiáng)制冷卻25~1000.025~0.15液體強(qiáng)制冷卻500~150000.5~15相變冷卻2500~250002.5~25表6-4常見冷卻方式的冷卻效率對(duì)比5）進(jìn)行電池模組熱狀態(tài)和冷卻仿真計(jì)算，結(jié)合單體電池溫度、電池間溫差、流動(dòng)壓力損失等結(jié)果，更為準(zhǔn)確的判斷冷卻方式和具體冷卻結(jié)構(gòu)形式、尺寸和冷卻參數(shù)等。6）進(jìn)行電池包仿真和設(shè)計(jì)，最終選出合適的冷卻方式。需注意一個(gè)電池包中的不同的模組可以選擇不同的冷卻形式和參數(shù)。例如，圖6-14某款電池包含

288個(gè)單體電芯和三種不同的模組。圖6-14某車型電池包及其三種模組（2）電池模組和電池包當(dāng)組成電池包的電池模組不同時(shí)，可先分別進(jìn)行各個(gè)電池模組的熱狀態(tài)和冷卻仿真計(jì)算和設(shè)計(jì)選型，根據(jù)不同冷卻方式計(jì)算各個(gè)電池模組的溫度場(chǎng)，獲得單個(gè)電池模組內(nèi)的最高溫度和單體電池間溫差結(jié)果，根據(jù)動(dòng)力電池的工作溫度范圍為20~40℃、電池單體間的溫度差應(yīng)小于5℃等指標(biāo)評(píng)價(jià)單個(gè)模組的冷卻方式設(shè)計(jì)是否合理。

當(dāng)各個(gè)電池模組完成熱狀態(tài)和冷卻仿真計(jì)算和設(shè)計(jì)選型后，進(jìn)行整個(gè)電池包熱狀態(tài)和冷卻仿真計(jì)算，根據(jù)電池包熱管理效果來確定最終的冷卻形式是否需要進(jìn)一步優(yōu)化。根據(jù)以下指標(biāo)評(píng)價(jià)電池包的冷卻方式設(shè)計(jì)是否合理：動(dòng)力電池的工作溫度范圍為20~40℃；電池單體間的溫度差應(yīng)小于5℃；液冷系統(tǒng)壓降一般控制在20~30kPa，對(duì)于圓柱電芯的電池液冷系統(tǒng)壓降一般在60~70kPa，等?！纠?-1】圖6-15為圖6-14某車型電池包中模組B不同冷卻方式仿真結(jié)果，計(jì)算工況為35℃環(huán)境溫度以3C放電倍率放電，a）為自然風(fēng)冷；b）為斜對(duì)置式強(qiáng)制風(fēng)冷，風(fēng)速為4m/s；c）為弓形液流通道強(qiáng)制冷卻，流速為2m/s；d）為梯形液流通道強(qiáng)制冷卻，流速為2m/s；e）為不同冷卻方式仿真電池模組最高溫度比較，其中2m/s和4m/s液冷是梯形流道結(jié)果。液冷介質(zhì)為水和乙二醇的混合液。試根據(jù)圖6-15分析仿真結(jié)果，并說明冷卻方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如何選擇。e)不同冷卻方式仿真電池模組最高溫度比較d)梯形液流通道強(qiáng)制冷卻c)弓形液流通道強(qiáng)制冷卻a)自然風(fēng)冷b)強(qiáng)制風(fēng)冷【解】電池模組最高溫度：自然風(fēng)冷為51.0628℃，強(qiáng)制風(fēng)冷為44.3325℃、弓形液流通道強(qiáng)制冷卻為43.4996℃，均超過動(dòng)力電池的工作溫度范圍為20~40℃。同樣為液冷，梯形液流通道強(qiáng)制最高溫度為37.1545℃處于正常工作溫度范圍并明顯低于弓形通道。圖e）中可見梯形液流通道強(qiáng)制冷卻2m/s和4m/s電池模組最高溫度基本相同，說明當(dāng)換熱系數(shù)和換熱接觸面積一定時(shí)，當(dāng)冷卻水流速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)散熱效果趨于穩(wěn)定，此時(shí)再增大冷卻水流速對(duì)于散熱效率的提高很微小，而且會(huì)增大成本。從圖d）可見梯形液流通道強(qiáng)制冷卻下整個(gè)電池模組的最高溫度和最低溫度間相差2℃，符合電池單體間的溫度差應(yīng)小于5℃的要求。其他冷卻形式溫差超標(biāo)。綜上應(yīng)選擇2m/s梯形液流通道強(qiáng)制冷卻方案對(duì)模組B進(jìn)行冷卻。從上述研究結(jié)果看，不同冷卻方式下動(dòng)力電池的最高溫度和單體電池間溫差的差別顯著。企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)人員對(duì)不同冷卻方式的選擇直接影響到動(dòng)力電池產(chǎn)品能否正常安全的工作，作為研發(fā)人員應(yīng)當(dāng)更加專業(yè)、有責(zé)任心、有擔(dān)當(dāng)。第6章新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)6.1新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)概述6.2動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理仿真與設(shè)計(jì)6.3動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)仿真與設(shè)計(jì)6.3動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)仿真與設(shè)計(jì)動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度仿真的計(jì)算工況與車架靜強(qiáng)度仿真計(jì)算的工況基本一致，有：彎曲工況緊急制動(dòng)工況轉(zhuǎn)彎工況垂直極限工況扭轉(zhuǎn)工況多種工況組合此外，對(duì)動(dòng)力電池包還有沖擊仿真、擠壓仿真、隨機(jī)振動(dòng)疲勞仿真等。a)幾何模型b)網(wǎng)格模型圖6-16電池包網(wǎng)格劃分電池箱體結(jié)構(gòu)組件包括上殼體、下殼體和吊耳等，內(nèi)部有電池模組、電子電氣組件等部件組成，懸掛在底盤下方。電池包網(wǎng)格模型見圖6-16，在吊耳位置進(jìn)行位移約束。對(duì)于彎曲工況靜強(qiáng)度仿真，模擬的是汽車靜止?fàn)顟B(tài)或者勻速行駛且路況平坦的情況，電池包僅在垂直方向上受自身重力作用。在計(jì)算網(wǎng)格中的載荷施加方式是對(duì)所有網(wǎng)格的體單元施加1個(gè)重力加速度g，也就是