純電動(dòng)汽車鋰離子電池?zé)嵝?yīng)及電池組散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化（可編輯）

1、純電動(dòng)汽車鋰離子電池?zé)嵝?yīng)及電池組散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化 純電動(dòng)汽 車鋰離子 電池 熱 效應(yīng) 及電 池組 散熱結(jié)構(gòu) 優(yōu)化重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文 (學(xué)術(shù)學(xué) 位)學(xué)生姓名 :李 濤 指導(dǎo)教師 : 胡建 軍 副教授 專 業(yè):車輛 工程 學(xué)科門類 :工 學(xué)重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 二 O 一三 年五 月 Study on Thermal Effects of Lithium-ion Battery in Electric Vehicle and Battery Package Dissipation Structural Optimization A Thesis Submitted to Chongqing Uni

2、versity in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master s Degree of Engineering ByLi TaoSupervised by Ass.Prof. Hu Jianjun Specialty: Vehicl EngineeringCollege of Mechanical EngineeringChongqing University, Chongqing, China May, 2013 中文摘要摘 要純 電 動(dòng) 汽車 結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn) 單 ,維 修 方便 , 操作 性 能好, 與 傳 統(tǒng)燃 油 汽車 相 比

3、具 有 無(wú)振 動(dòng) 、無(wú) 噪 聲、 無(wú) 排放 污染 等 優(yōu)點(diǎn) , 發(fā)展 前景廣 闊 ,已 成 為未 來(lái) 汽車 行業(yè) 重 要 發(fā)展 方 向之 一 。動(dòng) 力 電池 作為 純 電動(dòng) 汽 車 的 唯一儲(chǔ) 能 元件 , 直接 影 響到 純電 動(dòng) 汽 車的 整車性能。鋰離子 電 池具 有 電壓 平 臺(tái)高 ,能量 密 度大 、 功率 密 度 高、循環(huán) 壽命長(zhǎng)、 自放電率低 、污染少等優(yōu)點(diǎn),成為 純電動(dòng)汽車 的優(yōu)選電池 。 在純電動(dòng) 車輛正常運(yùn)行中, 鋰離子動(dòng)力 電池組伴隨著 充放電 會(huì)產(chǎn)生大量的熱,如果這些熱量不能夠及時(shí)散失掉將 導(dǎo)致電池 組內(nèi)部溫度不斷 升高 及溫度分布不均勻, 從而降低 電池的使用 性能

4、、 循環(huán)壽命及安全性 。 所以, 為保證電池性能的穩(wěn)定性, 既 要使 得電 池組 的工 作溫 度保 持在 適宜 的臨界 溫 度之 下, 也要 控制 內(nèi)部 溫差 在一定范圍內(nèi)。 因此, 建立電池 熱效應(yīng) 分析的理論模型 ,利用數(shù)值 仿真技術(shù) (CFD )模擬計(jì)算 電池 單 體 和 電 池 組 在 不同 使 用 條 件 下 的 溫 度 場(chǎng) 分布, 預(yù)測(cè)電池組散熱性能并進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu) 優(yōu)化 , 對(duì)電池 性能的充分發(fā)揮 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文運(yùn)用 實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證和CFD 技術(shù)相結(jié)合的方法 , 分析了不同 條件下 鋰離子電池單體的溫升, 基于不同 循環(huán)工況 分析了 電池組動(dòng)態(tài)性能 , 并 對(duì)鋰 離子動(dòng)力電

5、池組的 溫度場(chǎng)進(jìn)行了建模和數(shù)值 計(jì)算 ,最后提出 了使電池 組散熱流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布均勻的改進(jìn)措施 。 本文 研究工作主要 有以下幾方面 : 對(duì)不同充放電倍率下鋰離子電池單體溫升進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)分析, 并對(duì)其不同溫度下充放電過(guò)程內(nèi)阻變化和開(kāi)路電壓變化進(jìn)行 測(cè)試研究 ; 分析鋰離子電池的發(fā)熱機(jī)理和傳熱特性, 根據(jù)傳熱學(xué) 理論 建立了鋰離子電池 熱效應(yīng)模型,并對(duì)電池單體 充放電過(guò)程溫度場(chǎng)分布 進(jìn)行了數(shù)值模擬; 借助汽車仿真軟件 ADVISOR 建立了鋰離子 電池組仿真模型, 對(duì)不同循環(huán)工況 及特 殊 工況 下 電池 組動(dòng) 態(tài) 特性 進(jìn) 行仿 真分析 , 并利 用 該模 型 得到 了電 池 組 實(shí)時(shí)生熱速率

6、及生熱量變化; 采用 CFD 技術(shù),對(duì)純電動(dòng)汽車 用 鋰離子電池組原始散熱結(jié)構(gòu) 的流場(chǎng) 和溫度 場(chǎng) 進(jìn)行 了 數(shù)值 模 擬分 析, 為 驗(yàn)證 溫 度場(chǎng) 模型的 合 理性 和 仿真 結(jié)果的 準(zhǔn)確 性 , 對(duì)鋰 離 子電 池 組進(jìn) 行 了現(xiàn) 場(chǎng)溫 度 場(chǎng)實(shí) 驗(yàn) 測(cè)量 , 并對(duì) 實(shí) 驗(yàn)結(jié) 果 和仿 真 結(jié)果 進(jìn)行 比 較 。最后提出了優(yōu)化鋰離子電池組散熱系統(tǒng)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布的改進(jìn)方案。關(guān)鍵 詞 : 純電動(dòng)汽車, 鋰離子電池,溫度場(chǎng),CFD 技術(shù),實(shí)驗(yàn)I 重慶大學(xué)碩 士學(xué)位論 文 II 英文摘要ABSTRACTElectric vehicles is simple in structure, easy

7、 maintenance, good operating performance, compared with the traditional fuel vehicles with no vibration, no noise, no pollution emissions, and broad development prospects, has become one of the important development direction of the automotive industry in the future. As the only energy storage compo

8、nents, power batteries for electric vehicles will directly affect the vehicle performance. With high voltage platform, energy density, high power density, long cycle life, low self-discharge rate, less pollution, etc., the lithium-ion battery become the preferred choice for electric vehicles Along w

9、ith the charge and discharge, lithium-ion battery pack will generate a lot of heat in the normal operation of the electric vehicle, the internal temperature of the battery pack will be rising and the distribution of temperature is not uniform if the heat cannot be dissipated in time, which reduces t

10、he performance of the battery, even cycle life and safety. So, in order to guarantee the stability of the battery performance, it is necessary to make the working temperature of battery pack maintain under suitable critical temperature, also to control the internal temperature difference within a ce

11、rtain range. Therefore, establish a thermal analysis model of the battery, use numerical simulation techniques to simulate temperature distribution of the cell and battery pack under different conditions, predict the thermal performance of the battery pack and optimize the heat dissipation structure

12、, which has important practical significance to give full play to the battery performance. In this paper, experimental verification and CFD technology combined to analysis the temperature rise of the lithium-ion under different conditions, then simulated the dynamic performance ofbattery pack based

13、on the different driving cycles, modeled and numerical computed the temperature field of lithium-ion battery pack, finally, put forward improvements to make the heat flow and temperature distribution of battery pack uniformThe research work of article has the following aspects: Analysised the temper

14、ature rise of the lithium-ion cell by experiment under the different charge-discharge rate, the change of resistance and the open circuit voltage were tested during charging and discharging process at different temperatures; Analysised the generate heat mechanism and heat transfer characteristics of

15、 the lithium-ion battery, lithium-ion battery thermal model was established according to the III 重慶大學(xué)碩 士學(xué)位論 文 heat transfer theory, and the cell was simulated; The simulation model of lithium-ion battery pack was established with the software ADVISOR to simulate and analyze the dynamic characteristi

16、cs under different cyclic conditions, and obtained real-time heat rate and changes in the amount of heat used the model Using CFD technology, the flow field and temperature field of electric vehicles lithium-ion pack original heat dissipation structure were simulated and analysised. To verify the ac

17、curacy of the temperature field model and the simulation results, the lithium-ion battery pack on-site experimental measurement was carried out, and experimental results and simulation results are in good agreement. Finally, the improvement programs to optimize the flow and temperature field distrib

18、ution of lithium-ion pack cooling system were proposed Keywords: Electric Vehicle, Lithium-ion battery, Temperature field, CFD, ExperimentalIV 目 錄目 錄中 文 摘要. I 英 文 摘要. III 1 緒 論 1 1.1 電動(dòng)汽 車發(fā)展概述1 1.2 純電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池 的研究 7 1.2.4 純電動(dòng) 汽車鋰離 子動(dòng)力電 池組散熱 系統(tǒng)研究 9 1.3 論文主要研究?jī)?nèi)容 12 2 純電 動(dòng) 汽車 鋰離 子電 池 熱特 性實(shí) 驗(yàn)及數(shù) 值 分析 理

19、論. 13 2.1 鋰離子動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)及基本原 理 13 2.2 鋰離子動(dòng)力電池的特點(diǎn)分析15 2.3 鋰離子電池生熱機(jī)理分析 16 2.4 單體鋰離子動(dòng)力電池?zé)嵝?yīng)實(shí) 驗(yàn) 18 2.5 CFD 仿真理論及其在動(dòng)力電池?zé)岱治鲋械膽?yīng)用 29 2.6 本章小結(jié). 34 3 單 體鋰 離子 電池 充放 電 過(guò)程 熱效 應(yīng)仿真 分 析35 3.1 鋰離子動(dòng)力電池三維熱效應(yīng)模 型的建立. 35 V 重慶大學(xué)碩 士學(xué)位論 文 3.2 單體鋰離子動(dòng)力電池?cái)?shù)值模擬. 38 3.3 結(jié)果與分析. 44 3.4 本章小結(jié). 48 4 純 電動(dòng) 汽 車典 型工 況下 鋰離 子 電池 組動(dòng) 態(tài) 性能 研究 49 4.

20、1 純電動(dòng)汽車整車技術(shù)參數(shù). 49 4.2 ADVISOR 軟件基礎(chǔ)介紹49 4.3 純電動(dòng)汽車仿真模型的搭建50 4.4 純電動(dòng)汽車仿真及動(dòng)力電池生 熱特性分析 56 4.5 本章小結(jié). 62 5 鋰 離子 動(dòng)力 電池 組熱 仿 真及 散熱 結(jié)構(gòu)優(yōu) 化 設(shè)計(jì) 63 5.1 鋰離子動(dòng)力電池組原始模型溫 度場(chǎng)瞬態(tài)仿真分析63 5.2 電池組溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn) 69 5.3 鋰離子動(dòng)力電池組散熱結(jié)構(gòu)優(yōu) 化及 CFD 分析71 5.4 本章小結(jié)74 6 總 結(jié)與 展望75 6.1 全文總結(jié). 75 VI 目 錄 6.2 研究展望. 76 致 謝. 77 參 考 文獻(xiàn). 79 附 錄. 83 A. 作者在攻讀

21、碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文83 B. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間參與科研項(xiàng)目. 83 VII 重慶大學(xué)碩 士學(xué)位論 文VIII 1 緒 論1 緒 論1.1 電動(dòng)汽 車發(fā)展概述 電動(dòng)汽車Electric Vehicles 是以電能為主要 或輔助 動(dòng)力源的汽車,與傳統(tǒng)燃油汽 車 相比 具 有無(wú) 可 比擬 的優(yōu) 勢(shì) ,如 對(duì) 環(huán)境 的污染 物 排放 少 、能 源 利用 效率 高 、 噪聲低等 , 因此, 電 動(dòng)汽 車在 全 世界 范 圍內(nèi) 已經(jīng)開(kāi) 始 逐漸 得 到應(yīng) 用 和推 廣 。 電動(dòng)汽1車發(fā)展的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面 : 電 動(dòng) 汽車 具 有非常 廣闊 的 發(fā)展 前 景。 電 動(dòng)汽車 的 主 要或 輔

22、 助能 源 系統(tǒng) 為高效 率 可充 電 動(dòng)力 電 池 , 驅(qū)動(dòng) 系 統(tǒng)采 用 電動(dòng) 機(jī),降 低 了城 市 噪聲 污 染。 而且 電能是二 次 能源 , 可來(lái) 源 于水 能 、 風(fēng) 能、 潮 汐能 、氫能 、 太陽(yáng) 能 等多 種 綠色 發(fā)電 方式,使 用 電能 代 替?zhèn)?統(tǒng) 汽車 燃油 緩 解了 人 類對(duì) 于 日漸 枯 竭的 石 油資 源 消耗 壓力 ,因此電動(dòng)汽車 是非常具有發(fā)展前景的替代 新能源汽車。 電 動(dòng) 汽車 排 放低 且 可實(shí) 現(xiàn) 零排 放 ,大 大 的減少 甚 至 消除 了 汽車 對(duì) 環(huán)境 的 污染 。 即使 考 慮發(fā) 電 廠排 放對(duì) 環(huán) 境的 污 染, 按電動(dòng) 汽 車行 駛 所耗

23、 電 量進(jìn)行換算, 發(fā)電 廠 排放 的 硫、 固 體微 粒和 其 它污 染 物等均 明顯 減 少, 而 且發(fā) 電廠一 般地 點(diǎn) 固定不動(dòng),集中排放 ,集中處理 , 相對(duì)比較容易 清除各類排放污染物 。 電 動(dòng) 汽車 動(dòng) 力電 池 可以 在 夜間 利 用電 網(wǎng) 的“谷 電 ” 進(jìn)行 充 電, 平 抑電 網(wǎng) 的谷 峰 差, 從 而極 大 的提高了 能源整體 經(jīng)濟(jì) 效益 。 一 些機(jī) 構(gòu) 和學(xué) 者 曾對(duì) 原油 的 利 用2方式進(jìn)行研究 : 一種是 原油經(jīng)過(guò)粗煉 后用來(lái) 發(fā)電, 然后充入動(dòng)力電池, 再 由動(dòng)力電 池 輸出 驅(qū)動(dòng)電 動(dòng) 汽車 行駛 ; 另一 種 是同 樣的 原 油 經(jīng)過(guò) 精 煉變 為 燃

24、油 (汽油 或柴油) , 再由 燃油燃燒 驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車行駛, 比較 兩種方式的能源利用率 可以發(fā)現(xiàn), 前者 顯著高于后者 ,也就是前一種原油利用過(guò)程有效的 節(jié)約 了資源。 與 傳 統(tǒng)的 燃 油汽 車 相比 , 電動(dòng) 汽 車 的 一 些新 技 術(shù) 也 具有 很 多優(yōu) 點(diǎn) 。電 動(dòng) 汽車 驅(qū) 動(dòng)電 機(jī) 具有 良 好的 調(diào)速 特 性, 可 通過(guò) 對(duì)電機(jī) 轉(zhuǎn) 矩或 轉(zhuǎn)速變化 的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛速度的控制, 并且控制精確, 大大 的降低了車輛行駛對(duì)變速系統(tǒng)的要求 ;電動(dòng)汽車減速制動(dòng)時(shí) 可以實(shí)現(xiàn)能量 的再生回收使用,從而減少 動(dòng)力電池能耗 。 綜 上 所 述, 電 動(dòng)汽 車 的研 發(fā) 和推 廣

25、使用 對(duì) 節(jié)能、 環(huán) 保 以及 汽 車技 術(shù) 的發(fā) 展 都具有 非常 重要的意義。 從 當(dāng) 前 各 國(guó) 發(fā) 展 的 新 能 源 電 動(dòng) 汽 車 類 型 來(lái) 看 , 主要 分 為 混 合 動(dòng) 力 電 動(dòng) 汽 車HEV 、 純電 動(dòng)汽 車(EV )和 燃料 電池 汽車 (FCEV ) , 這些 新能 源電 動(dòng)汽 車都 得到 了 不同 程 度的 研 究與 發(fā)展 。 隨著 電 動(dòng)汽 車用動(dòng) 力 電池 技 術(shù)的 不 斷發(fā) 展, 電 動(dòng) 汽車 的 經(jīng)濟(jì) 性 和行 駛 動(dòng)力 性 正 逐 漸接 近 甚至 超過(guò)傳統(tǒng) 汽車 , 因此 , 以電 動(dòng)汽 車 為 代1 重慶大學(xué)碩 士學(xué)位論 文 表的新能源節(jié)能環(huán)保汽車將

26、成為未來(lái)汽車工業(yè)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。 混 合 動(dòng) 力電 動(dòng) 汽車 的 驅(qū)動(dòng) 系 統(tǒng)包 括 燃油發(fā) 動(dòng)機(jī)和 電 動(dòng) 機(jī), 介 于傳 統(tǒng) 燃油 汽 車和 純 電動(dòng) 汽 車之 間 , 既 可以 為 車輛 正 常行 駛提供 足 夠 的 動(dòng)力,又 能夠 節(jié)約 日益枯竭的 能源, 大大的減少 環(huán)境污染 物排放 。 目前的 HEV 在技術(shù)上大多是沿用了傳統(tǒng)燃 油 汽車 已 成熟 的 基礎(chǔ) 技術(shù) , 同時(shí) 結(jié) 合了 電動(dòng)機(jī) 、 電池 等 已有 的 電動(dòng) 汽車 相 關(guān) 技3術(shù), 從而降低 了研發(fā)成本 , 是目前世界汽車領(lǐng)域關(guān)注度較高的概念汽車之一 。 近幾年, 成功投放于市場(chǎng)的多款混合 HEV 車型都取得了比較

27、好的口碑, 如豐 田汽車公司 的 Prius 和福特汽車公司研發(fā)的 Escape-SUV 混合動(dòng)力汽車。 另外 ,我國(guó)東風(fēng)汽車公司在 HEV 研究領(lǐng)域也取得了很大的進(jìn)步,如東風(fēng) EQ7200 混合動(dòng)力電動(dòng)轎4車和 EQ6110 混合動(dòng)力電動(dòng)大客車 , 在燃油經(jīng)濟(jì) 性和排放 方面 都已達(dá)到 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 。 純 電 動(dòng) 汽車 正常行駛 所需 的 動(dòng)力 完 全 由 車 載動(dòng)力 電 池 組輸 出 電能 提 供, 相比于 傳 統(tǒng)燃 油 汽車 , 它結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn) 單 ,維 修 方便 ,操作 性 能好 , 并且 幾 乎無(wú) 振動(dòng) 、 無(wú) 噪聲 、 無(wú)排 放 污染 。 但是 純電 動(dòng) 汽車 在 續(xù)駛 里程和 性 能方

28、 面 還不 能 和傳 統(tǒng)燃 油 汽 車相 競(jìng) 爭(zhēng), 最 主要 的 原因 是電 動(dòng) 汽車 的 能量 存儲(chǔ)系 統(tǒng) ?動(dòng) 力 電池 的 核心 技術(shù) 不 夠 完善 , 動(dòng)力 電 池組 每 單位 質(zhì)量 和 體積 所 對(duì)應(yīng) 的儲(chǔ)能 容 量較 低 、快速 充電 困難 、 制 造成 本 過(guò)高 等 問(wèn)題 都 制約 著電 動(dòng) 汽車 的 發(fā)展 。 因此 , 隨著 未 來(lái)動(dòng) 力 電池 關(guān)鍵 技 術(shù) 的突破和發(fā)展,純電動(dòng)汽車將會(huì)有一個(gè)非常廣闊的發(fā)展空間。 燃 料 電 池汽 車 是指 動(dòng) 力源 為 燃料 電 池的 電 動(dòng)車輛 。 燃 料電 池 的能 量 轉(zhuǎn)換 方 式是 燃 料的 化 學(xué)能 直 接轉(zhuǎn) 換為 電 能, 且 這

29、種 能量轉(zhuǎn) 換 不受 卡 諾循 環(huán) 規(guī)律 的限 制 , 熱效 率 高, 可 以達(dá) 到 燃油 和普 通 電池 的 數(shù)倍 。此外 , 燃料 電 池在 運(yùn) 行過(guò) 程中 , 不 需要 復(fù) 雜的 機(jī) 械傳 動(dòng) 裝置 ,沒(méi) 有 振動(dòng) 和 噪聲 ,也不 會(huì) 排放 有 害氣 體 污染 環(huán)境 , 因 此有人認(rèn)為燃料電池將是未來(lái)車輛 動(dòng)力機(jī)械領(lǐng)域首選的動(dòng)力能。 燃 油 汽車 取 代, 直 到石 油能 源 危機(jī) 的 爆發(fā) 和環(huán)境 污 染的 日 趨嚴(yán) 重 ,非 石油 燃 料 、零 污 染的 現(xiàn)代 純 電 動(dòng)汽 車 才 再 次引 起 人們 的關(guān)注 。 純電 動(dòng) 汽車 與 傳統(tǒng) 車輛 的 差 別在于動(dòng)力電池、 驅(qū)動(dòng)電機(jī)和

30、控制器 等 3 個(gè)主要 部件, 相應(yīng)的 集成了包括電池技術(shù)、5能量管理技術(shù)、 電機(jī)及控制技術(shù)、 整車控制技術(shù) 等眾多先進(jìn) 電動(dòng)汽車技術(shù)于一 體 。動(dòng) 力 電池 的 容量 大小 和 安全 性 能決 定 了純 電動(dòng)汽 車 的續(xù) 駛 里程 和 使用 安全 ; 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能 和 功 率 大小 決定 著 純電 動(dòng) 汽車 的啟動(dòng) 平 順性 和 行駛 動(dòng) 力性 ;純電動(dòng)汽車控制器通過(guò) CAN 總線傳輸信息 來(lái) 實(shí)現(xiàn)能量 管理系統(tǒng)優(yōu)化控制、 能量再生制動(dòng)回收控制和整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制 等。 電池技術(shù) 電池 技 術(shù)是 純 電動(dòng) 汽 車的 關(guān) 鍵技 術(shù) ,電 池 技術(shù)的 進(jìn) 步 在一 定 程度 上 決定 了 純2

31、1 緒 論 電動(dòng)汽車的發(fā)展 。 純電動(dòng)汽車對(duì)電池能源的要求主要體現(xiàn)在 6 個(gè)方面: 能量密度 、功率密度 、循環(huán)壽命 、成本費(fèi)用、可靠性、安全性 等 。20 世紀(jì) 后期,美國(guó)高能蓄6電池協(xié)會(huì) (USABC ) 制定出一個(gè)電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的發(fā)展規(guī)劃 ,見(jiàn)表 1.1 所示。表 1.1 USABC 電池發(fā)展目標(biāo) Tab1.1 USABC battery development goals 指標(biāo) 中期目標(biāo)長(zhǎng)期目標(biāo) 指標(biāo) 中期目標(biāo)長(zhǎng)期目標(biāo)質(zhì)量能量密 度 80100200 循環(huán)壽命( 次)600/5 1000/10(Wh/kg ) / 總壽命(年) 體積能量密 度(Wh/L )135 300 功率/ 能

32、量比22質(zhì)量功率密 度(W/kg )150200400 充電時(shí)間 (h )6 36體積功率密 度(W/L )效率250 600 75% 80% 目前 電動(dòng)汽車所使 用的動(dòng)力電池經(jīng)歷 了 4 個(gè)階段的發(fā)展過(guò)程:鉛酸 蓄 電池階段、鎳氫 (Ni-MH ) 電池階段、鋰 離子 電 池 階段 和 燃 料 電池 階 段 。 從 新 能 源電 動(dòng)汽 車 動(dòng)力 電 池發(fā) 展 歷程 來(lái)看 , 鉛酸 蓄 電池 已逐漸 被 淘汰 , 鎳氫 電 池技 術(shù)最 成 熟 ,鋰 離子電 池 是未 來(lái) 的重 要發(fā) 展 方向 , 燃料 電池在 新 能源 電 動(dòng)汽 車 上大 規(guī)模 應(yīng) 用 是長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)。 表 1.2 給出了以

33、上 幾種 動(dòng)力電池的性 能比較和主要優(yōu)缺點(diǎn)。表 1.2 各種 電動(dòng)汽車 動(dòng)力電池 性能比較 Tab1.2 Performance comparison of different batteries using in electric vehicle電池 能量密度 功率密度 循環(huán)壽命 最佳工作 主要優(yōu)點(diǎn) 主要缺點(diǎn)類型 W ?h/kg W/kg 次 溫度 ()鉛酸 3540 7090 400600 040 價(jià)格低, 可 靠 比特性差電池性好鎳氫 1000 以上能量密度高價(jià)格偏高80225040 電池+Li 電 比特性好 價(jià)格偏高、 對(duì) 溫100 3001200 060 池 度敏感燃料 500 60

34、 ? 能效高 價(jià)格偏高、 不 安電池全鉛 酸 電 池在 電 動(dòng)汽 車 發(fā)展 初 期 就 廣 泛地 被 用作為 儲(chǔ) 能 裝置 , 技術(shù) 研 究也 最 為成 熟 。鉛 酸 電池 具 有可 靠性 高 、成 本 低、 大功率 性 能優(yōu) 異 、電壓平 穩(wěn) 、自 放 電 率3 重慶大學(xué)碩 士學(xué)位論 文 低 、 安全 性 好、 維 護(hù)簡(jiǎn) 便或 者 免維 護(hù) 及 適 用范圍 廣 等優(yōu) 點(diǎn) 。但 是 它的 充放 電 反 應(yīng)屬于溶解/ 沉淀 原理 ,電解 液內(nèi) 產(chǎn)生 的 難溶物隨 充放電次數(shù)的增 加 而不斷增多 ,同時(shí)電池的容量 逐漸衰減。 電動(dòng)汽車鉛酸電池 規(guī)?；瘧?yīng)用的主要障礙是能量密度低、循環(huán)壽命短、體 積大

35、質(zhì)量 重、過(guò)充/ 過(guò) 放電性能 差、會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn) 生二次污染 等。從時(shí)間發(fā)展來(lái)看,鉛酸蓄電池不符合未來(lái)環(huán)保、高效的需要,將逐漸被淘汰。 鎳氫 電池 具有 可大電流快 速充放電 、耐過(guò)充/ 過(guò) 放能力強(qiáng)、低 溫性能好、 比功率 高 等優(yōu) 點(diǎn) ,是 目 前技 術(shù) 比較 成熟 、 應(yīng)用 較廣泛 的 動(dòng)力 電 池。 自放 電 率高 、 比 能量 較 小是 當(dāng) 前鎳 氫 動(dòng)力 電池 所 存在 的 不足 , 使得 車輛續(xù) 駛 能力 較 差 , 目前 只 能 用在 混 合動(dòng) 力 電動(dòng) 汽 車上 。鎳氫 電池 的 充放 電 穩(wěn)定 性 良好 , 但是 隨 著循 環(huán)次 數(shù) 的 增加, 電池 內(nèi)阻 的 急 劇增 加

36、使 得 發(fā)熱 變得尤 為嚴(yán)重 , 容量 衰 減 也 將 會(huì)加 劇, 使 用 壽命 縮 短。 新 型高 功 率鎳 氫電 池 所具 有 的特 點(diǎn) 是 高 比 能量 、 高比功率 、 能夠 穩(wěn)定的大 電 流放 電 , 這 些 優(yōu)勢(shì) 使鎳 氫 電池 能 夠滿 足混合 動(dòng) 力汽 車 的續(xù) 駛 里程 、加 速 和 爬7坡等方面的能量 需求及功率 需求 。 目前我國(guó)的鎳氫電池研究 已處于世界前列, 國(guó)8家科委已將 其 研發(fā)和應(yīng)用 列為重點(diǎn)項(xiàng)目, 很多 企業(yè) 已經(jīng)開(kāi)始 生產(chǎn)鎳氫電 池 。 鋰 離 子 電池 因 具有 電 壓高 、 體積 小 、比 能 量高、 無(wú) 污 染、 自 放電 率 小、 工作溫 度 范圍

37、寬 廣、 循 環(huán)使用 壽 命 長(zhǎng)和 無(wú) 記憶 效應(yīng)等 優(yōu) 點(diǎn) 受 到 眾多 汽 車廠 商的 青 睞 ,是 目 前綜 合 性能 最 優(yōu)的 電池 , 也是 新 能源 電動(dòng) 汽 車 的優(yōu) 選 電池 , 當(dāng)前 許多 世 界 著9名汽車廠商都致力于開(kāi)發(fā)的純電動(dòng)汽車大部分采用的是鋰 離子動(dòng)力電 池 。 鋰離子動(dòng)力電池的具體特點(diǎn)和性能將在第二章詳細(xì)介紹。 燃 料 電 池能 量 密度 特別高, 與 汽 油 和柴 油 的能量 密 度 相當(dāng) , 可實(shí) 現(xiàn) 零污 染 ,號(hào)稱 “終極電池” , 代表著電動(dòng) 汽車未來(lái) 發(fā)展方 向, 也是各國(guó)重點(diǎn)研發(fā)的領(lǐng)域之一,目 前 質(zhì)子 交 換膜 燃 料電 池 的 應(yīng)用 相 對(duì) 較多

38、 。但是 , 燃料 電 池還 沒(méi) 有 在 電動(dòng) 汽 車 領(lǐng)10域被廣 泛的 應(yīng) 用 ,主 要原 因 是燃 料電 池還 存 在一些 技術(shù) 和使 用條 件上 的問(wèn)題 :氫 是 燃料 電 池的 唯 一燃 料 , 種 類太 單 一, 且貯存 和 運(yùn)輸 氫 成本 高 昂; 高質(zhì) 量 的 密封 要求 , 使 得制 造 工藝 很復(fù) 雜 ;需 要 配備 輔助電 池 系統(tǒng) 。 燃料 電 池作 為能 源 利 用的新技術(shù), 具備高效、 潔凈等優(yōu)點(diǎn), 已成為當(dāng)今 世界 新能源領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。 美日等國(guó) 在這方面處于世界領(lǐng)先水平, 而我 國(guó)對(duì)燃 料電池的研究還處于起 步階段, 今后燃料電池的商業(yè)化所需要解決的問(wèn)題是制造

39、成本高、循環(huán) 壽命短和可靠性 低等。 總 之 , 研發(fā) 出 具有 比 能量 高 、比 功 率大 和 循環(huán)壽命長(zhǎng) 等特 點(diǎn) 的高 性 能動(dòng)力 電池是使新能源電動(dòng)汽車具備強(qiáng)大市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的首要任務(wù) 之一。 能量管理技術(shù) 車輛 行駛工況 的復(fù)雜多變導(dǎo)致動(dòng)力 電池經(jīng)常 在惡劣的環(huán)境條件下 工作, 因此,為 有效 提 高 電池 利 用率 和 延 長(zhǎng) 電池 的 使用 壽命 , 防 止電 池 出現(xiàn) 過(guò) 充電 和過(guò) 放 電 現(xiàn)象 , 需要 設(shè) 計(jì)專 門 的管 理系 統(tǒng) 對(duì) 電池的工作狀態(tài) 進(jìn)行實(shí)時(shí) 監(jiān)控 和 管理 ,即 電 池 能4 1 緒 論 量管理系統(tǒng)BMS 。 電池能量管理技術(shù)是電動(dòng)汽車 發(fā)展 的核心技術(shù)

40、之一, 一輛 設(shè)計(jì)優(yōu)良的電動(dòng)汽車 , 不僅 要具有合適的能量源 即動(dòng)力 電池,還要 具備一套性能良好的能量管理系統(tǒng), 使動(dòng)力電池組 能夠維持 正常狀態(tài)工作或著工作于最佳狀態(tài)。 BMS主要完 成 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)電池組的工作狀態(tài)、 準(zhǔn)確估算電池組的 SOC 和均衡電池組中各、11 12單體之間的工作狀態(tài)等三 大功能 。 驅(qū)動(dòng)電 機(jī)及控制技術(shù) 由于 純 電動(dòng) 汽 車 的 動(dòng) 力輸 出 主要 靠 驅(qū)動(dòng) 電 機(jī)完成 , 所 以車 用 驅(qū)動(dòng) 電 機(jī)需要具有 大 功率 、 高轉(zhuǎn) 速 、高 效率 和 小型 化 等特 點(diǎn) 。目 前 ,電 動(dòng) 汽車 常 用的 驅(qū)動(dòng) 電 機(jī) 類13型 主要 有交 流電 機(jī)、 直流 電 機(jī)

41、和 永磁 電 機(jī) 。 交流電 機(jī)具 有體 積小 、重 量輕、效率 高 、壽 命 長(zhǎng)、 結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn) 單和 免 維護(hù) 等 優(yōu)點(diǎn) , 當(dāng)前 主 要采 用 的直 接 轉(zhuǎn)矩 控制 和 矢量控制 可以 實(shí) 現(xiàn)電 機(jī) 的精確動(dòng) 態(tài) 控制 , 已廣 泛的應(yīng) 用 到實(shí)車上 電 機(jī) 控制 ;直流電機(jī)控 制 簡(jiǎn)單 且 調(diào)速 特 性好 ,但 其 體積 和 重量 都相對(duì) 較 大, 效率也 比 較低 ,不 利 于 提高 能 耗經(jīng) 濟(jì) 性, 目前 僅 用于 小 型、 低 速 電 動(dòng)汽車 ; 永磁 電 機(jī)的 特 點(diǎn)是 慣性 低 、 響應(yīng) 快 ,但 由 于技 術(shù) 不夠 成熟 , 僅限 于 小功 率范圍 內(nèi) 應(yīng)用 。 目前 , 歐

42、美 國(guó)家 多 采 用交 流 電機(jī) , 日本 青 睞于 采用 永 磁電 機(jī) , 而 我國(guó)一 般 在高 檔 車上 采 用交 流電 機(jī) 或 永磁電機(jī),在低檔車上 采用直流電機(jī) 。 整車控制 技術(shù) 純 電 動(dòng) 汽 車 的 整 車 總 體 設(shè) 計(jì) 及 控 制 技術(shù) 對(duì) 提 高 電 動(dòng) 汽 車 的 整 車 性 能 相當(dāng) 重要。 由于 純 電動(dòng) 汽 車?yán)m(xù) 駛里 程 較短 , 所以 對(duì)其能 耗 經(jīng)濟(jì) 性 要求 就 變得 更加 嚴(yán) 格 ,可 通 過(guò)減 小 整車 重 量實(shí) 現(xiàn)整 車 能耗 的 降低 , 也可 利 用電 機(jī) 反轉(zhuǎn) 特 性和 電池 儲(chǔ) 能 功用 實(shí) 現(xiàn)純 電 動(dòng)汽 車 在 制 動(dòng)時(shí) 的 能量 回 收,

43、 從而提 高 整車 能 量利 用 率。 要想 獲 得 最佳整車經(jīng)濟(jì)型和動(dòng)力性 , 不僅要對(duì)整車總體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) , 還需要對(duì)其進(jìn)行 控制。整 車 控制 系 統(tǒng)的 主 要功 能是 對(duì) 電機(jī) 驅(qū) 動(dòng)系 統(tǒng)、能 量 管理 系 統(tǒng)、 再 生制 動(dòng)系 統(tǒng) 等 進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 和管 理 ,然 后 根 據(jù) 駕駛 員 的操 作和整 車 運(yùn)行 狀 態(tài), 在 保證 使用 安 全 的前提下選擇最優(yōu)的工作模式,以求獲得最佳的整車綜合性能。 20 世紀(jì)中 后期, 石油能源危機(jī)的發(fā)生 及人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的 重視促使世界各國(guó)政府與 各 汽車集團(tuán) 開(kāi)始 關(guān)注 新 能源 電 動(dòng)汽 車的研 究 和 開(kāi)發(fā) 。美 國(guó) 政府 以能 源

44、部 為中心 ,逐 年 遞增 投 入資 金研 制 開(kāi)發(fā) 電 動(dòng)汽 車, 通 用 、福 特 等公司 也在 不斷 加大純電 動(dòng) 汽 車 的 研 發(fā) 力 度 。 早在 1993 年 美 國(guó) 政 府 就 制 定 了 發(fā) 展 新 能 源 電 動(dòng) 汽 車 的PNGV 計(jì)劃, 把純電動(dòng)汽車的發(fā)展作為研究重點(diǎn) 。雖然 EV-1、Chrysler EPIC 等純電動(dòng) 汽 車由 于價(jià) 格過(guò) 高且 續(xù)駛 里程 不 能 滿足 使 用者的 需求 而 相 繼停 產(chǎn),但 NREL( 美 國(guó)國(guó) 家 實(shí)驗(yàn) 室 )仍 在深 入 研究 純 電動(dòng) 汽車先 進(jìn) 電池 系 統(tǒng)、 先 進(jìn)驅(qū) 動(dòng)系 統(tǒng) 及 管理 控 制系 統(tǒng) 等核 心 技術(shù)

45、,而 且 小型 、 低速 、特種 用 途的 純 電動(dòng) 汽 車也 在不 斷 的 發(fā)5 重慶大學(xué)碩 士學(xué)位論 文 展 。 日本 政 府一 直 很重 視電 動(dòng) 汽車 的 發(fā)展 ,各汽 車 制造 商 如豐 田 、日 產(chǎn) 和三菱等都紛 紛開(kāi)展純電動(dòng)汽車的研發(fā)工作 , 日產(chǎn) “LEAF”、 三菱 “i-MiEV ” 等純電動(dòng)乘用車 的陸續(xù)推出更是加快了純電動(dòng)汽車 發(fā)展的步伐 。 日產(chǎn) “LEAF ” 純電動(dòng)轎車已在日、 美、 歐市場(chǎng)銷售, 三菱 “i-MiEV ” 純電 動(dòng)汽車 也已 正式向普通消費(fèi)者出售 。法國(guó)標(biāo)致- 雪鐵龍與雷諾兩大汽 車公司一直在積 極研發(fā)和推廣 電動(dòng)汽車 , 法國(guó)政府也 出 臺(tái)了

46、許 多鼓 勵(lì) 研發(fā) 和產(chǎn) 業(yè) 化的 支 持、 補(bǔ)貼和 扶 持政 策 來(lái) 加大 電動(dòng) 汽車 的 推廣力度 ; 戴姆勒 汽車公司研 發(fā)的奔馳 Smart 純電動(dòng)汽車 在歐洲部分城市已有運(yùn)行。 總體來(lái)說(shuō) , 國(guó)外純 電 動(dòng)汽 車 在 經(jīng) 歷 了基 礎(chǔ) 研究、 關(guān) 鍵 技術(shù) 突 破、 產(chǎn) 品開(kāi) 發(fā)和試 驗(yàn) 以及 試 用后 取得 了 長(zhǎng)足 的 進(jìn)展 , 技術(shù) 開(kāi)發(fā)已 經(jīng) 相對(duì) 完 善, 但 因?yàn)?價(jià)格高昂及充 電 設(shè)施 建 設(shè)的 成 本巨大 , 仍 處于 小 批量 生產(chǎn) 和 示 范運(yùn) 行 階段 。 目前 ,美 國(guó) 、日本 、歐洲等 都將 純 電動(dòng) 汽車 的 研究 和 應(yīng)用 范圍 轉(zhuǎn) 向 了以 城市 公

47、交 車為 主的 定線 、定點(diǎn)運(yùn)行車輛和 社區(qū)用微型車輛及特殊 用途的 小型車。 我國(guó)在 “ 八五 ” 和 “ 九五 ” 期間組織了純電動(dòng)汽車 的 技術(shù) 攻關(guān), 科技部 又在“ 十五 ”和“ 十一五 ” 期間設(shè)立 了“863”電動(dòng)汽車重大專 項(xiàng) 來(lái)支持電動(dòng)汽車的研發(fā)。 同時(shí) ,國(guó)內(nèi) 一些 汽車 企 業(yè) 聯(lián)合 高校 也 做了 大 量的 技術(shù)攻 關(guān) 和樣 車 試制 , 在 電 動(dòng)汽 車 系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 與開(kāi) 發(fā) 、關(guān)鍵 零部 件的研制、 能 量存 儲(chǔ)系統(tǒng) 研 究 、 規(guī)范 和 標(biāo) 準(zhǔn)制 定 等 方面都取得了 不 錯(cuò) 的成 績(jī) ,為 我國(guó) 電 動(dòng)汽 車 產(chǎn)業(yè) 的發(fā)展 奠 定了 良 好的 基 礎(chǔ)。 “863

48、 ” 電動(dòng)汽 車 重大 專 項(xiàng)“ 純 電動(dòng) 客車 項(xiàng) 目” 和 北京 市科技 奧 運(yùn)電 動(dòng) 汽車 特 別專 項(xiàng)“ 電 動(dòng) 汽車運(yùn)行示范、研究開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化" 等 已完成純電 動(dòng)準(zhǔn)低地板公交車、純電動(dòng)超低地板公交車、 純電動(dòng)旅游客車和純電動(dòng)中巴客車等四種車型的整車開(kāi)發(fā)和定型設(shè)計(jì),并進(jìn)行了 40 余輛的生產(chǎn)和探索應(yīng)用, 其動(dòng)力性 、 經(jīng)濟(jì)性和噪聲水平等指標(biāo)已接近或 達(dá) 到國(guó) 際 先進(jìn) 水 平。 此外 , 我國(guó) 在 小型 純電動(dòng) 乘 用車 研 發(fā)方 面 儲(chǔ)備 了一 定 的 技術(shù) 基 礎(chǔ), 比 如奇 瑞 、比 亞迪 、 吉利 等 自主 研制 開(kāi) 發(fā) 的小 型 純電 動(dòng) 乘用 車已 基 本 滿足

49、 代 步交 通 需求 , 達(dá)到 了實(shí) 現(xiàn) 產(chǎn)業(yè) 化 的初 步要求 。 全球 乘 用車 市 場(chǎng) 研 究報(bào) 告 中14國(guó)蓄勢(shì)待發(fā): 電動(dòng)汽車的機(jī)遇 指 出: “在 傳統(tǒng)汽車行業(yè), 中國(guó)落后于世界幾十年 , 但在 新 能源 電 動(dòng)汽 車領(lǐng) 域 ,中 國(guó) 與世 界各國(guó) 處 于同 一 起跑 線 上, 具有 成 本 和市場(chǎng)優(yōu)勢(shì), 有可能在全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)取得領(lǐng)先地位” 。 因此, 如果 我國(guó)在新能源汽 車 發(fā)展 和 推廣 上 選擇 中低 端 路線 , 大力 發(fā)展節(jié) 能 汽車 , 重點(diǎn) 發(fā) 展純 電動(dòng) 汽 車 和插 電 式混 合 動(dòng)力 電 動(dòng)汽 車, 優(yōu) 先支 持 發(fā)展 低速小 型 純電動(dòng) 汽車 , 將具 有強(qiáng) 大 后 發(fā)15優(yōu)勢(shì)。2012 年出臺(tái)的 節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃 提出未來(lái) 10 年我國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展總體目標(biāo), 到 2020 年我國(guó)新能源汽 車產(chǎn)銷量達(dá)到 500 萬(wàn)輛, 力爭(zhēng)全球第一。 近 年 來(lái), 為 激活 電動(dòng) 汽 車市場(chǎng) ,我 國(guó)政府 和 一些 地 方不 斷 出臺(tái) 各種 鼓 勵(lì) 和引導(dǎo) 政策 ,比如 加大新能源汽車購(gòu)買補(bǔ)貼力度和稅收政策支持