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多回路水冷方式动力电池组热管理系统开发

添加时间:2018/10/20 所属栏目:毕业设计论文
本文研究电动车电池组的生热和散热特性,优化散热方式,进而提高散热系统温度控制的精度;优化散热系统模型的结构,增加模型中冷却通路数量,使用并联通路的方式
  以下为本篇论文正文:

摘 要

  多回路水冷方式的动力电池组热管理系统研究学生姓名:王留专业名称:控制理论与控制工程指导教师:马彦在电动汽车行驶过程中,动力电池组持续放电,尤其是在加速、爬坡等工况下会频繁地大电流放电。放电过程中,电池组内部会发生电化学反应而快速生热、温度急剧升高,过高的温度会导致电池寿命和容量下降,甚至会造成电池组燃烧。

  因此设计有效的电池热管理系统对电池组进行散热和温度控制,对电池组性能的保持和电动汽车高效稳定地运行有重要意义。

  电池组热管理的要求是根据电池的生热机理,保证电池包内各个单电池工作在合理温度范围内的同时尽量维持包内各个电池及电池模块间的温度均匀性。目前的电池水冷系统主要侧重于冷却介质的选取和散热系统结构的设计,而热管理策略和温度控制算法的研究还有很大的提升空间。本文在采取多冷却回路并联的基础上,采用均匀水冷的策略,保证了各支路冷却液流速一致,对提高电池组温度控制的均匀性做出了贡献。

  本文分析电池的生热机理,基于电池充放电过程中的生热模型和能量守恒定律,建立电池的热模型,在保证有效性和准确性的基础上,对模型进行一定的简化,以求直接得到电池温度的解析解,为电池组的温度估计以及散热系统的控制算法设计提供基础。在 AMESim 中搭建电池散热系统的仿真模型,结合电动汽车整车模型和电动车运行工况,确立合理的散热方式,设计并优化散热系统的结构。基于已建立的电池热模型和对应的散热系统结构,设计温度控制算法,并在MATLAB 中进行算法的离线仿真,结合 AMESim 建立的电池组散热系统的模型,验证算法的有效性和鲁棒性,并进行参数和结构调整及算法修正。

  关键词:电池热管理,水冷系统,多回路,AMESim,电池热仿真

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

  面对全球范围内日益严峻的能源形势和环保压力,世界各国在战略上越来越重视能源安全和环境保护,新能源汽车由于能源清洁、无污染物排放等优势从概念走向产业而蓬勃发展起来[1]。动力电池作为新能源汽车直接的动力来源,是最核心和最关键的环节,可以说动力电池的性能和成本直接决定了新能源汽车的发展路线。因此,随着新能源汽车的发展,动力电池也迎来了非常好的发展机遇。

  新能源汽车是指采用非常规车用燃料或使用常规车用燃料、采用新型车载动力装置作为动力来源,综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术,形成的技术原理先进、新技术、新结构的汽车。新能源汽车具有节能环保、噪音小、安全性高及能量来源多样化等很多优点,因此,发展绿色无污染的新能源汽车将是我国汽车工业的一个突破口,亦是节能减排的战略选择。根据汽车动力来源,新能源汽车可以分为纯电动汽车(Battery Electric Vehicle, BEV)、混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicle, HEV)和燃料电池电动汽车(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)以及其它新能源汽车等[2]。纯电动汽车是完全由车载可充电电池(如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池)为驱动电机提供动力源,驱动车轮行驶的汽车。由于BEV的动力源完全由车载动力电池提供,不依赖于燃油资源,从长远来看,这不仅优化了能源结构,并且用电动机代替传统内燃机,可以真正的做到“零排放”,长期发展则有利于空气质量的提高。除此之外,高效、节能、低噪声等也是电动汽车的突出优点。上述优点为电动汽车的推广和发展赢得了超高的“人气”,加之近年来动力电池技术的迅速发展,为电动汽车的发展提供了有力的保障[3],尤其是在美国的特斯拉公司生产的Tesla Model S和Tesla ModelX亮相之后,引起了电动汽车界的轩然大波。它们以充满科技感的设计和媲美豪华跑车的超高性能一度引爆人们的眼球。至此,电动汽车已然成为了各大科研机构和汽车厂商的研究开发焦点。

  动力电池是新能源汽车的核心部件,其性能的好坏直接影响到汽车的工作情况。动力电池内部是剧烈的电化学反应,在充放电过程中会产生大量的热量,导致电池温度的急剧变化,而电池温度的变化又直接影响着电池的安全性、循环寿命、放电容量及充放电效率等性能,进而影响整车的工作性能,所以温度是影响电池性能的关键因素。单体电池有最佳工作温度范围,由于电化学性能的差异,不同种类电池的最佳温度范围也不同,例如铅酸电池的最佳温度范围为25~45℃,而镍氢电池的最佳工作温度范围为20~40℃,锂离子电池的最佳工作温度范围为25~50℃[4],当温度超过电池允许的最大温度的时候,电池的基本性能将出现明显的下降,如循环寿命减少,充放电效率降低,充电接收能力减弱及安全性下降等。

  动力电池在工作的时候,内部的电化学反应产生大量热量,这些热量会导致电池温度的上升,而温度上升又会导致电池内部的化学反应速率加快,尤其内部有害化学反应速度的加快,将永久性的破坏电池的结构,进而减少电池的工作寿命。Hingordni的研究表明,电池的化学反应速率与温度成几何级数关系曲线,温度每上升10℃,电池内部的电化学反应速率将加倍。Somogye的研究表明镍氢电池在长期工作在45℃下,其循环寿命将减少60%,所以控制动力电池的温度对动力电池的寿命非常必要[5]。

  电池内部的温升亦会对充放电容量和功率造成大的影响。由于电池内部的反应是活性物质向惰性状态的变化,所以在任何条件下,电池的充放电容量和功率的降级是不可避免的,但是在高温环境下的降级尤其剧烈,此时电池内部的欧姆热阻将急剧增加,这样电池的开路电压(即工作电压)就会大幅度的降低,对外所能输出的功就相应的减少,进而导致充放电容量和功率的急剧降级。Todd M. Bandhauer等总结了关于锂离子电池在高温环境下使用情况的研究,其结果表明过高的温度(如对于商用18650号锂离子电池是45℃以上)将导致电池内部某活性物质的惰性转变及欧姆热阻的增长,使电池的充放电容量和功率等出现不同程度的降级[6]。清华大学的付正阳对某80Ah镍氢电池进行了不同温度下电池放电效率实验,结果如图1.1所示,由图中可以看出,在温度高于40℃或者温度低于0℃的时候,电池的放电效率(即电池的实际放电容量)出现了显着的降低[7]。

  对于动力电池来说,热失控是一种非常危险的现象,具体的讲就是当电池温度上升到一定临界值的时候,将会触发电池内部一系列的有害放热反应,同时这些有害放热反应放出会放出大量的热量,反过来使电池的整体温度进一步升高,从而引发更多的不利反应,最严重的时候就会产生热失控,大大降低电池的安全性,将会造成不可估量的后果。以锂离子电池为例,SEI(Solid Electrolyte Interphase)是覆盖在电池的电解液和负极材料之间的一层亚稳态的薄膜,用于保护负极材料免于被有机电解液溶解,在电池温度达到90~120℃的时候会发生分解,其分解产生的热量会把温度推升到接近200℃,产生热失控[8],引起非常严重的安全问题。

单体电池热-电模型
单体电池热-电模型

电池组电气回路与冷却回路
电池组电气回路与冷却回路

散热器模型
散热器模型

散热器模型参数
散热器模型参数

含电池组水冷的电动车整车模型
含电池组水冷的电动车整车模型

车辆负载模型
车辆负载模型

电池负载电流工况
电池负载电流工况

第三行电池温度对比
第三行电池温度对比

第四列电池温度对比
第四列电池温度对比

目 录

  第 1 章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 主要研究内容
  第 2 章 电池热分析与温度模型建立
    2.1 电池工作原理分析
    2.2 电池生热机理分析
    2.3 电池生热实验
    2.4 电池质点温度模型
    2.5 本章小结
  第 3 章 模糊自适应 PID 温度控制算法设计
    3.1 模糊控制简介
    3.2 模糊控制器基本形式
    3.3 模糊自适应 PID 控制器设计
      3.3.1 模糊自适应 PID 控制器结构
      3.3.2 输入/输出模糊集及其论域确定
      3.3.3 模糊语言隶属度函数确定
      3.3.4 模糊推理及解模糊化
    3.4 本章小结
  第 4 章 基于 AMESim 的电池组水冷系统仿真实验
    4.1 仿真软件介绍
      4.1.1 AMESim 简介
      4.1.2 AMESim 和 MATLAB/Simulink 联合仿真原理
    4.2 电动汽车电池组水冷系统模型的建立
      4.2.1 电池电气模型和热特性模型
      4.2.2 电池组水冷回路模型
      4.2.3 电动汽车整车模型
    4.3 电池组水冷系统仿真实验与分析
    4.4 本章小结
  第 5 章 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 研究展望
  参考文献
  作者简介及科研成果
  致谢

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