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                        多回路水冷方式動力電池組熱管理系統開發

                        添加時間:2018/10/20 來源:吉林大學 作者:王留
                        本文研究電動車電池組的生熱和散熱特性,優化散熱方式,進而提高散熱系統溫度控制的精度;優化散熱系統模型的結構,增加模型中冷卻通路數量,使用并聯通路的方式
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          多回路水冷方式的動力電池組熱管理系統研究學生姓名:王留專業名稱:控制理論與控制工程指導教師:馬彥在電動汽車行駛過程中,動力電池組持續放電,尤其是在加速、爬坡等工況下會頻繁地大電流放電。放電過程中,電池組內部會發生電化學反應而快速生熱、溫度急劇升高,過高的溫度會導致電池壽命和容量下降,甚至會造成電池組燃燒。

                          因此設計有效的電池熱管理系統對電池組進行散熱和溫度控制,對電池組性能的保持和電動汽車高效穩定地運行有重要意義。

                          電池組熱管理的要求是根據電池的生熱機理,保證電池包內各個單電池工作在合理溫度范圍內的同時盡量維持包內各個電池及電池模塊間的溫度均勻性。目前的電池水冷系統主要側重于冷卻介質的選取和散熱系統結構的設計,而熱管理策略和溫度控制算法的研究還有很大的提升空間。本文在采取多冷卻回路并聯的基礎上,采用均勻水冷的策略,保證了各支路冷卻液流速一致,對提高電池組溫度控制的均勻性做出了貢獻。

                          本文分析電池的生熱機理,基于電池充放電過程中的生熱模型和能量守恒定律,建立電池的熱模型,在保證有效性和準確性的基礎上,對模型進行一定的簡化,以求直接得到電池溫度的解析解,為電池組的溫度估計以及散熱系統的控制算法設計提供基礎。在 AMESim 中搭建電池散熱系統的仿真模型,結合電動汽車整車模型和電動車運行工況,確立合理的散熱方式,設計并優化散熱系統的結構;谝呀⒌碾姵責崮P秃蛯纳嵯到y結構,設計溫度控制算法,并在MATLAB 中進行算法的離線仿真,結合 AMESim 建立的電池組散熱系統的模型,驗證算法的有效性和魯棒性,并進行參數和結構調整及算法修正。

                          關鍵詞:電池熱管理,水冷系統,多回路,AMESim,電池熱仿真

                        Abstract

                          In the process of electric vehicles, battery pack continuous discharge, especially during acceleration, climbing and other conditions frequently large current discharge. Discharge process, the internal battery electrochemical reaction occurs rapidly heat, rapid temperature rise, high temperature will lead to decreased battery life and capacity, and even cause the battery pack to ignite. Therefore design effective battery thermal management system for a battery pack cooling and temperature control to keep the battery pack performance and highly efficient and stable operation of electric vehicles is important.

                          Battery thermal management requirements are based on the heat generating mechanism of the battery, the battery pack to ensure that each single cell within a reasonable temperature range at the same time try to keep the temperature uniformity within each battery pack and battery modules. Current battery cooling system is mainly focused on the selection and design of the cooling system structure of a cooling medium, and thermal management strategy and the temperature control algorithm research there is still much room for improvement. In this paper, taking the basis of multiple parallel cooling circuits, using a uniform cooling of the strategy to ensure the consistency of each branch coolant flow rate to improve battery pack temperature control uniformity contributed.

                          This paper analyzes the mechanism of the heat cell, based on the battery charging and discharging process heat generation models and conservation of energy, the establishment of a battery thermal model, to ensure the validity and accuracy on the basis of the model must be simplified in order to direct the analytical solution of the battery temperature, provide the basis for the battery pack's temperature control algorithm design estimates and cooling system. Built in AMESim simulation model of the battery cooling system, combined with electric vehicles and electric vehicle models operating conditions, establish a reasonable cooling method, design and optimize the structure of the cooling system. Battery thermal model has been established based on the structure and the corresponding cooling system, temperature control algorithm design, simulation and off-line algorithm in MATLAB, establish binding model AMESim battery pack cooling system, to verify the validity and robustness of the algorithm, and parameters and structural adjustment and correction algorithms.

                          Key words:Battery thermal management, Water-cooling system, Multi-loop, AMESim,Battery thermal simulation

                          面對全球范圍內日益嚴峻的能源形勢和環保壓力,世界各國在戰略上越來越重視能源安全和環境保護,新能源汽車由于能源清潔、無污染物排放等優勢從概念走向產業而蓬勃發展起來[1]。動力電池作為新能源汽車直接的動力來源,是最核心和最關鍵的環節,可以說動力電池的性能和成本直接決定了新能源汽車的發展路線。因此,隨著新能源汽車的發展,動力電池也迎來了非常好的發展機遇。

                          新能源汽車是指采用非常規車用燃料或使用常規車用燃料、采用新型車載動力裝置作為動力來源,綜合車輛的動力控制和驅動方面的先進技術,形成的技術原理先進、新技術、新結構的汽車。新能源汽車具有節能環保、噪音小、安全性高及能量來源多樣化等很多優點,因此,發展綠色無污染的新能源汽車將是我國汽車工業的一個突破口,亦是節能減排的戰略選擇。根據汽車動力來源,新能源汽車可以分為純電動汽車(Battery Electric Vehicle, BEV)、混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle, HEV)和燃料電池電動汽車(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)以及其它新能源汽車等[2]。純電動汽車是完全由車載可充電電池(如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池)為驅動電機提供動力源,驅動車輪行駛的汽車。由于BEV的動力源完全由車載動力電池提供,不依賴于燃油資源,從長遠來看,這不僅優化了能源結構,并且用電動機代替傳統內燃機,可以真正的做到“零排放”,長期發展則有利于空氣質量的提高。除此之外,高效、節能、低噪聲等也是電動汽車的突出優點。上述優點為電動汽車的推廣和發展贏得了超高的“人氣”,加之近年來動力電池技術的迅速發展,為電動汽車的發展提供了有力的保障[3],尤其是在美國的特斯拉公司生產的Tesla Model S和Tesla ModelX亮相之后,引起了電動汽車界的軒然大波。它們以充滿科技感的設計和媲美豪華跑車的超高性能一度引爆人們的眼球。至此,電動汽車已然成為了各大科研機構和汽車廠商的研究開發焦點。

                          動力電池是新能源汽車的核心部件,其性能的好壞直接影響到汽車的工作情況。動力電池內部是劇烈的電化學反應,在充放電過程中會產生大量的熱量,導致電池溫度的急劇變化,而電池溫度的變化又直接影響著電池的安全性、循環壽命、放電容量及充放電效率等性能,進而影響整車的工作性能,所以溫度是影響電池性能的關鍵因素。單體電池有最佳工作溫度范圍,由于電化學性能的差異,不同種類電池的最佳溫度范圍也不同,例如鉛酸電池的最佳溫度范圍為25~45℃,而鎳氫電池的最佳工作溫度范圍為20~40℃,鋰離子電池的最佳工作溫度范圍為25~50℃[4],當溫度超過電池允許的最大溫度的時候,電池的基本性能將出現明顯的下降,如循環壽命減少,充放電效率降低,充電接收能力減弱及安全性下降等。

                          動力電池在工作的時候,內部的電化學反應產生大量熱量,這些熱量會導致電池溫度的上升,而溫度上升又會導致電池內部的化學反應速率加快,尤其內部有害化學反應速度的加快,將永久性的破壞電池的結構,進而減少電池的工作壽命。Hingordni的研究表明,電池的化學反應速率與溫度成幾何級數關系曲線,溫度每上升10℃,電池內部的電化學反應速率將加倍。Somogye的研究表明鎳氫電池在長期工作在45℃下,其循環壽命將減少60%,所以控制動力電池的溫度對動力電池的壽命非常必要[5]。

                          電池內部的溫升亦會對充放電容量和功率造成大的影響。由于電池內部的反應是活性物質向惰性狀態的變化,所以在任何條件下,電池的充放電容量和功率的降級是不可避免的,但是在高溫環境下的降級尤其劇烈,此時電池內部的歐姆熱阻將急劇增加,這樣電池的開路電壓(即工作電壓)就會大幅度的降低,對外所能輸出的功就相應的減少,進而導致充放電容量和功率的急劇降級。Todd M. Bandhauer等總結了關于鋰離子電池在高溫環境下使用情況的研究,其結果表明過高的溫度(如對于商用18650號鋰離子電池是45℃以上)將導致電池內部某活性物質的惰性轉變及歐姆熱阻的增長,使電池的充放電容量和功率等出現不同程度的降級[6]。清華大學的付正陽對某80Ah鎳氫電池進行了不同溫度下電池放電效率實驗,結果如圖1.1所示,由圖中可以看出,在溫度高于40℃或者溫度低于0℃的時候,電池的放電效率(即電池的實際放電容量)出現了顯著的降低[7]。

                          對于動力電池來說,熱失控是一種非常危險的現象,具體的講就是當電池溫度上升到一定臨界值的時候,將會觸發電池內部一系列的有害放熱反應,同時這些有害放熱反應放出會放出大量的熱量,反過來使電池的整體溫度進一步升高,從而引發更多的不利反應,最嚴重的時候就會產生熱失控,大大降低電池的安全性,將會造成不可估量的后果。以鋰離子電池為例,SEI(Solid Electrolyte Interphase)是覆蓋在電池的電解液和負極材料之間的一層亞穩態的薄膜,用于保護負極材料免于被有機電解液溶解,在電池溫度達到90~120℃的時候會發生分解,其分解產生的熱量會把溫度推升到接近200℃,產生熱失控[8],引起非常嚴重的安全問題。

                        單體電池熱-電模型
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                        電池組電氣回路與冷卻回路
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                        散熱器模型
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                        散熱器模型參數
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                        含電池組水冷的電動車整車模型
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                        車輛負載模型
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                        電池負載電流工況
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                        第三行電池溫度對比
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                        第四列電池溫度對比
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                        目 錄

                          第 1 章 緒論
                            1.1 研究背景及意義
                            1.2 國內外研究現狀
                            1.3 主要研究內容
                          第 2 章 電池熱分析與溫度模型建立
                            2.1 電池工作原理分析
                            2.2 電池生熱機理分析
                            2.3 電池生熱實驗
                            2.4 電池質點溫度模型
                            2.5 本章小結
                          第 3 章 模糊自適應 PID 溫度控制算法設計
                            3.1 模糊控制簡介
                            3.2 模糊控制器基本形式
                            3.3 模糊自適應 PID 控制器設計
                              3.3.1 模糊自適應 PID 控制器結構
                              3.3.2 輸入/輸出模糊集及其論域確定
                              3.3.3 模糊語言隸屬度函數確定
                              3.3.4 模糊推理及解模糊化
                            3.4 本章小結
                          第 4 章 基于 AMESim 的電池組水冷系統仿真實驗
                            4.1 仿真軟件介紹
                              4.1.1 AMESim 簡介
                              4.1.2 AMESim 和 MATLAB/Simulink 聯合仿真原理
                            4.2 電動汽車電池組水冷系統模型的建立
                              4.2.1 電池電氣模型和熱特性模型
                              4.2.2 電池組水冷回路模型
                              4.2.3 電動汽車整車模型
                            4.3 電池組水冷系統仿真實驗與分析
                            4.4 本章小結
                          第 5 章 總結與展望
                            5.1 全文總結
                            5.2 研究展望
                          參考文獻
                          作者簡介及科研成果
                          致謝

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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