第5章车载动力电池包结构设计与仿真优化-研究生院管理系统-吉林大学

专业文献阅读报告文献阅读报告锂离子动力电池生热特性分析及其选配学院：汽车工程学院专业：车辆工程姓名：康海鹏学号：2011422044指导教师：闵海涛吉林大学目录目录 (1)第一章绪论 (3)1.1 电动汽车的发展 (3)1.2电动汽车种类及其相应的动力系统构成 (6)1.3电动汽车车载动力源简介 (7)第2章热管理系统的研究现状 (11)2.1动力电池热管理的必要性 (11)2.1.1锂离子电池工作原理 (11)2.1.2锂离子电池工作温度 (12)2.2现阶段电池包热管理技术的应用情况 (14)2.3动力电池热管理系统的发展趋势 (14)第3章锂离子动力电池单体电池热模型的建立 (16)3.1锂离子电池单体生热机理研究 (16)3.2单体电池生热模型仿真 (17)3.2.1单体电池生热的数学模型 (17)3.2.2基于有限元的计算流体力学热仿真软件介绍 (20)13.2.3单体电池生热模型仿真 (23)第四章温度对电池一致性的影响分析 (26)4.1国家863计划对锂离子电池的技术指标 (26)4.2温度对锂离子电池容量的影响 (27)4.3温度对锂离子电池内阻的影响 (28)第5章车载动力电池包结构设计与仿真优化 (29)4.1车载动力电池冷却方式的选择 (29)4.2车载动力电池的结构设计 (31)4.3基于FLUENT的热模型仿真 (33)结束语 (34)参考文献 (35)2第一章绪论1.1 电动汽车的发展百年来，随着汽车的结构不断完善，车辆性能的不断提高，汽车工业取得了长足的发展，汽车保有量与日俱增, 全球汽车保有量已于2010年突破10亿辆大关，未来5年内还将持续以20%的速度增长，预计到2015年，全球汽车保有量将增至11.2亿辆左右，届时亚洲地区将拥有全球四分之一的汽车，也就是2.8亿辆，其中中国和印度的市场增长潜力巨大。

据公安部交管局所统计，截至2011年11月，我国机动车保有量达2.23亿辆，机动车驾驶人数量达2.34亿人，汽车保有量达1.04亿辆，我国许多城市已进入汽车社会。

但是从可持续发展的战略角度上看，唯有发展以电动汽车为主的新能源汽车才是解决未来能源与环境问题最有希望、最彻底的措施，引起了世界范围内各国政府、汽车生产企业以及科研机构的高度重视[1]～[2]。

汽车工业作为曾经推动人类文明高速发展的现代科技文化的集合体，在给我们的生活出行带来方便与实惠的同时，它的进步与成长所带来的对化石能源需求的激增和对环境保护的负面影响也开始得到了人们的广泛关注。

经济的高速发展，加大了对自然资源的巨额需求，今天的世界经济离不开石油，汽车工业和汽车消费的发展更离不开石油。

据统计，1999年工业化国家每天进口石油达6000万～7000万桶，预测2020年达1.2亿桶/天。

作为仅次于美国的第二大石油消费国，预计中国今年的日均石油需求量将增长9.1%，至1000万桶。

过去5年，中国新增1亿吨炼油能力，全部被新增的3500万辆汽车吞噬掉。

专家预计2015年之后，世界石油产量将达到高峰而逐渐递减。

随着不可再生自然资源的消耗殆尽，日益增长的能源需求必将导致严重的能源紧缺，汽车工业的发展面临着前所未有的困难和挑战。

此外，以汽油或柴油作为燃料的常规内燃机热效率低，不仅造成能源浪费、引发能源危机，还带来严重的环境污染和环境恶化，如何减小甚至消除燃油汽车所带来的危害，3也成为汽车工业可持续发展面临的重要课题。

能源短缺问题是当今世界共同面对的问题，也是各国亟需解决的难题。

由于传统汽车的动力来源几乎全部来自于石油的炼制品，因此随着汽车保有量的增加，石油资源短缺问题也日渐明显。

据估计，按照现行阶段的需求增长速度，全世界的石油储量仅能持续使用40年左右。

大气污染问题是困扰人类发展的另一巨大难题。

现在社会面临的主要问题是：城市空气质量日渐下降，而且已经到了影响人的健康甚至人们的正常生活。

居民在城市的幸福感下降，城市居民，尤其是重工业聚集的城市，居民的健康问题受到巨大的危胁。

另一方面，全球气候变暖，温室气体排放却与日俱增；大气臭氧层被破坏，有毒有害的氮氧化物大量排放，这些也同样影响着全球包括人类在内的生物。

我国的环境监测数据表明，经由汽车排放的废气是城市大气的重要污染源之一。

以北京地区为例，几大主要的大气污染物中，经由汽车排放的CO、HC，NO的分担率分别是63.4%，73.50%和46%。

汽车工业的快速发展所引起的石油需求危机和环境污染问题引起了各国政府和环保人士的高度重视，汽车公司也纷纷研发出缓解未来能源和环境危机的汽车新技术，一方面致力于传统汽车节能技术，通过改进供油系统、点火系统，增加气缸燃油喷射，提高汽油机运转稳定性，提升汽油燃烧效率，从而达到减少燃油的消耗，节约能源的使用；另一个方面通过使用可变气门正时、废气涡轮增压以及催化尾气净化等技术，改善汽车尾气质量，减少汽车尾气排放，进而减轻汽车尾气对大气环境的影响。

发展清洁的、使用可再生能源作为动力的电动汽车成为解决上述问题的重要方案，已经被提到国家的发展日程上来。

与传统汽车相比，电动汽车具有以下优点：1、零排放或近似零排放。

2、减少了机油泄露带来的水污染。

3、降低了温室气体的排放。

44、提高了燃油经济性。

5、提高了发动机燃烧效率。

6、运行平稳、无噪声。

7、因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能量。

图中显示了各种电动汽车及其动力总成按电力驱动系统以及内燃机的耦合方式的不同，可以分为并联混合动力和串联混合动力汽车两类。

当动力总成采取电池电机和内燃机引擎并联驱动的结构时，根据电池和内燃机在驱动能量上的贡献比例，混合动力汽车可分为弱混电动车，中混电动车，强混电动车以及插电式混合动力车。

插电式混合动力车的电池容量较大，而且电池储存的能量主要来自电网的充电。

当电池的荷电态（SOC）较高时，汽车以纯电动的形式驱动，或者是电池为主引擎为辅的混合方式;但是当电池的SOC降低到一定的阈值时，汽车以混合动力方式运行。

在其它类型混合动力车中，电池的能量来自于发动机的充电和制动能量的回收利用，电池的荷电状态稳定在一定的的范围之内。

并联式混合动力汽车在急加速或爬坡时，动力电池可以提供额外的功率辅助，使发动机工作在最佳工作点附近，从而提高燃油利用率;而在制动以及怠速时可以将多余的能量转化为电能，回收能量，将其反馈给动力电池，从而提高能量的利用率。

混合动力汽车的节能优势也由此体现。

对于纯电动汽车，所有能量均由动力电池提供，在汽车运行的过程中没有任何尾气排放，能量利用率也相对较高，因此纯电动汽车是最为环保的车辆。

5图1.1 电动汽车按电力驱动系统以及内燃机的耦合方式不同的分类1.2电动汽车种类及其相应的动力系统构成在国外，很多汽车厂商也开始了纯电动汽车的商业化，如美国Tesla的纯电动跑车，富士重工的Stella PHEV及三菱的iMiEV等。

2008年底，德国宝马在洛杉矶国际车展上首次公开了小型纯电动车“Mini E”。

该车使用能量为35kWh的锂离子电池组，最大续驶里程达250km。

2010年秋天，日产汽车推出了用锂离子动力电池的纯电动汽车Leaf，并宣布到2012年制造20万台的量产计划。

首款量产的增程型雪佛兰沃蓝达(Volt)插电式混合电动车于2010年8月在上海世博会期间正式公布上市，纯电驱动续驶里程可达60km。

福特公司也正式推出了2012电动版福克斯[3]。

在“十五”863电动汽车重大专项的支持下，我国研究开发了纯电动、混合动力以及燃料电池汽车等多种动力形式几十个车型，建成了7个示范运行区，共计上千辆电动汽车投入运行。

“十一五”期间，国家启动了“863”6计划节能与新能源汽车重大项目，新一轮示范运行区/城市的建设开始启动，已经有一大批节能与新能源汽车投入示范运行和小批量运行。

自2009年2月17日“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”启动，截止2011年3月，25个试点城市已累计推广新能源汽车10000辆，建成104座充电站，8座换电站，换电桩1494个，加氢站2个。

以几大中心城市为例：北京于08年开启了新能源汽车的示范运行，属于国内最先进行也是规模最大的新能源汽车示范运行试点城市，08年投放485辆新能源汽车。

从2008年到2011年年底财政投入为11.32亿。

目前，北京81路、84路、90路的三个公交线路先后投入近百辆电动公交车进行示范运营。

截止2011年6月底，北京采购完成1100辆新能源汽车。

上海09年和2010年的目标，是借助2010年世博会契机，开展节能与新能源汽车示范。

上海第一阶段示范运行的节能与新能源汽车数量为1284辆，其中混合动力汽车500辆，纯电动汽车588辆，燃料电池汽车196辆。

其中，燃料公交客车6辆。

世博会期间，投运的新能源汽车为1147辆，纯电动汽车451；燃料电池汽车196辆，混合动力汽车500辆。

广州以第16届亚运会为契机，在整个亚运会的运行期间，广州市共使用了360辆新能源汽车。

具体包括：混合动力公交客车174辆，纯电动公交客车26辆，混合动力公务车100辆，燃料电池观光车60辆。

在亚运会期间，建成了一座广州大学城纯电动公交车充电站，占地1500平方米，可满足50辆纯电动公交客车充电规模。

（1座亚运城智能公共充电站、10个慢速充电桩、1个燃料电池汽车加氢基地）。

2008年起，陆续投入60辆油电混合动力公交车用于公交线路示范运行；26辆纯电动公交车，设立了首条纯电动公交车专线，中山纪念堂至广州大学城之间示范运行，区间往返行驶里程达60公里。

1.3电动汽车车载动力源简介电动汽车的车载动力源，如上所述，除混合动力车所需的内燃机之外，最主要的部分就是电池。

目前市场上的电池主要包括铅酸电池、镍氢电池、7锂离子电池以及超级电容等。

由于各类汽车混合程度多有不同，因而对电池性能参数的要求也各有不同，但是电池的总体评价可由以下各指标评定。

1)能量密度高指电池的质量比能量和体积比能量，亦即单位质量或单位体积的电池所能供给的能量。

比能量越高，同一质量或同一体积电池所储存和释放的电能就越多。

显然，使用比能量高的电池体系有助于降低动力电池的质量和体积，提高电动汽车的有效载荷量，乃至它的一次充电续驶里程。

因此，能量密度是评价动力电池应用性能的一个最重要指标2)比功率大指单位质量或单位体积电池所能输出的功率，分别称为质量比功率和体积比功率。

比功率越高，则单位时间电池的输出能量越大，电动汽车的加速性能和爬坡性能就愈优越。

就混合动力车而言，如电池系统的比功率大，其制动能量回收的效率一般就越高，节油效果也越理想3)循环或使用寿命长其含意即指一定的充放电制度或工况条件下，电池容量降到某一额定值前所经历的充放电次数。