摘 要

目前市场上各种电动汽车与或混动汽车的动力电池包大多采用锂离子动力电池，其中18650锂电池使用最为广泛。本文以运动小车为例，主要针对结构设计和热特性进行研究，设计了符合小车工作要求的两类电池模组，具体内容如下：

（1）电池模块参数计算：本次设计的运动小车为现实存在的一辆实验用车，其具体参数已经给出，根据已知参数进行计算，验证所给双电机是否满足基本功率要求。验证满足后，根据电机的功率大小，求解出电源的参数要求，包括电源电压、电流、容量和最大输出功率。

（2）电池模块结构设计：根据所求的电源参数进行18650锂离子电池串并联设计，确定电池模块分别采取6并8串与6并16串两种类型。根据所采用的串并联方式设计汇流排、pc板、外壳固定支架等零部件。最后根据组装后的电池模组外形设计了固定外壳零部件，并进行组装，验证是否符合模组摆放位置的空间要求。

（3）电池单体热效应：通过查阅文献，收集电池单体的物性参数，首先分析锂电池内部结构与传热机理，接着通过ANSYS对电池单体模型进行网格划分，查阅文献，了解UDF文件设置电池内热源的原理，分析电池单体的温升情况，总结电池单体发热功率。

（4）电池模组热分析：利用solidworks建模，导入到ANSYS中进行网格划分，设置相关内热源和边界条件参数，利用软件分析得出温度分布图，分析电池模组的温度上升情况是否满足工作温度范围要求。

关键词：动力电池 电池模组 结构设计 热分析

Abstract

At present, most of the power battery packs of various electric vehicles and hybrid vehicles in the market are lithium-ion power batteries, among which 18650 lithium batteries are the most widely used. Taking the car as an example, this paper mainly studies the structure design and thermal characteristics of the car, and designs two kinds of battery modules to meet the requirements of the car. The specific contents are as follows:

1. Parameter calculation of battery module: the designed trolley is a real experimental vehicle, and its specific parameters have been given. Calculate according to the known parameters to verify whether the dual motors meet the basic power requirements. After the verification, according to the power of the motor, the parameter requirements of the power supply, including the power supply voltage, current, capacity and maximum output power, are solved.

2. Structure design of battery module: 18650 lithium-ion battery is designed in series and parallel according to the required power parameters. It is determined that the battery modules are 6 parallel 8 series and 6 parallel 16 series respectively. According to the series and parallel connection mode, the bus bar, PC board, housing fixing bracket and other parts are designed. Finally, according to the shape of the assembled battery module, the fixed shell parts are designed and assembled to verify whether they meet the space requirements of module placement.

3. Thermal effect of battery cell: collect the physical parameters of the battery cell by consulting the literature, first analyze the internal structure and heat transfer mechanism of the lithium battery, then grid the battery cell model through ANSYS, consult the literature, understand the principle of setting the heat source in the battery in UDF file, analyze the temperature rise of the battery cell, and summarize the heating power of the battery cell.

4. Thermal analysis of battery module: use SolidWorks modeling, import it into ANSYS for grid division, set relevant internal heat source and boundary condition parameters, use software analysis to get the temperature distribution diagram, and analyze whether the temperature rise of battery module meets the requirements of working temperature range.

Key words: Thermal analysis;structural design;powerbattery module

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1锂离子动力电池发展现状 1

1.2.2 动力电池包机械系统研究现状 2

1.2.3 动力电池热效应研究现状 3

1.2.4 小结 4

1.3 论文研究内容及意义 4

1.3.1设计目标 4

1.3.2基本内容 4

1.3.3拟采用技术方案 4

第二章 电池模块结构设计 6

2.1 电池模块基本参数计算 6

2.1.1 电源系统设计 6

2.1.2 电池模块框架设计 9

2.2 电池模块结构设计 10

2.2.1电池排列方式 10

2.2.2固定支架 11

2.2.3汇流排与pc板 12

2.2.4电池模块外围单元 13

2.2.5比能量 15

2.2.6装配爆炸图 16

2.3电池模块位置分布 17

第三章 电池模组散热性能仿真分析 19

3.1 电池组成与生热机理 19

3.2 电池单体热特性 19

3.2.1 动力电池热分析模型 19

3.2.2 电池单体简化模型 20

3.2.3 电池生热速率 21

3.2.4电池单体网格划分 21

3.2.5 电池单体放电仿真分析 21

第四章 电池模组仿真分析 23

4.1 电池模组模型简化 23

4.2 模型参数设置 24

4.3 电池模组仿真结果分析 26

总结与展望 29

第一章 绪论

1.1 引言

伴随着全球能源短缺问题日益严重，世界各国都在不断扩大对新能源的研究利用^[1]，汽车工业发展以来，新能源汽车的出现对于解决石油短缺，环境污染问题起到了重要作用，受到了中国以及世界各国的重视^[2]。锂离子电池凭借其能量密度高、性能稳定、安全可靠等优点，被广泛应用于纯电动、混合动力车辆动力电池系统^[3]。

本文以运动小车为例，设计一款符合要求的锂离子电池组，其中重点部分包括电池参数设计、连接方案、电池模组设计、车载安装固定设计以及散热系统设计。对运动小车这一理想模型进行设计分析，能帮助我们更好的对现有汽车动力电池模组进行分析和改进，为实现电池组的升级与创新提供参考。

1.2 国内外研究现状

1.2.1锂离子动力电池发展现状

锂离子电池由于其具有比能量高，电压高，循环寿命长，环保性能好等优点，受到国内外专家们的关注^[4]。由于各国起步时间不同，对锂离子电池的研发进度，研究方向和相关标准^[5]也不尽相同。

锂基电池最早可以追溯到上世纪初期，1913年美国麻省理工学院的Gilbert N Lewis教授^[6]首次系统阐述并测量了金属锂电化学电位，1958年，美国加州大学伯克利分校的William S.Harris^[7]提出采用有机环状碳酸酯作为锂电池的电解质，为研究有机非水液态锂电池提供了新思路。1970年，由美国航空航天局与日本松下公司共同研发的以氟化石墨作为正极匹配金属锂一次性电池正式面世，并取得了商业化成功，锂电池首次进入人们的视野^[8]。1991年，由索尼公司研发的首批商业化锂离子电池问世，在随后的日子里，世界各国科学家继续深入研究，锂离子电池技术也在不断进步。

我国研究锂离子电池起步较晚，上世纪八十年代才开始研究。2000年左右，我国的锂离子电池年产量仅0.35亿只。2008年以前，从事车用锂离子动力电池技术开发的企业仅有两家，但在2009年初，国家开始重视新能源汽车行业的发展，推出了“十城千辆”计划^[9]。之后，中国的锂离子进入了快速发展期。在2015年中国车用锂离子电池总需求量高达3520.36万kwh。锂离子动力电池在中国的发展前景光明。

2019年诺贝尔化学奖授予了从事锂离子电池研究的三位杰出科学家，让锂离子电池这项技术成为社会大众视野焦点，也表明了锂离子电池在推动人类社会科学技术进步中所做出的贡献得到了科学界一致认可^[10]。

1.2.2 动力电池包机械系统研究现状

(1)电池包基本结构

目前主流的锂离子电池包分为两种结构：T型和平板型^[11]

图1.1 电池包结构示意图

T型电池包由于造型特殊，可以将电池包安装在座位下方，充分利用车内结构，然而由于T端上部靠近车尾，在发生车辆追尾时易造成起火；平板型电池包通常安装在车辆底盘，如特斯拉的电池模组，这种安装方式既可以提高车内空间利用率，也可以提高乘坐舒适度。但由于底盘过于贴近路面，在路况不好的情况下易对电池包产生影响。

（2）电池包外壳设计

为实现电动车锂离子动力电池包轻量化、结构耐久性设计，于成龙等人通过建立有限元模型，利用频谱等效法将频域随机振动载荷等效成时域随机信号，对车辆噪声振动粗糙度（NVH）,结构耐久性和碰撞安全工况进行分析^[12]。因为采用多学科优化设计，方法简单可靠并且便于工程应用，为快速准确地找到全局最优解提供了新思路。

刘舒龙等人^[13]选用新型材料制造电池组箱体，通过设置加强筋、添加阻燃剂等方式提高结构强度和阻燃性，利用三维建模对模型进行分析，结果证明新型电池组箱体耐热性、尺寸稳定性、吸湿性，均符合要求，此设计方案为电动汽车整体结构轻量化提供了新思路。

Qiu-Sheng Chen等人^[14]提出了一种将蓄电池箱零件的材料由低碳钢片更换为变深铝合金钢板的方法。通过对电池盒的模拟分析，得到了电池盒的位移云图和应力云图，两者之间没有明显的差异，说明材料替换的方法对减轻蓄电池箱重量有所帮助。

1.2.3 动力电池热效应研究现状

动力电池作为未来极为重要的新型能源，受到国内外学者的极大重视。其中电池热管理部分是锂离子电池的核心与关键，国内学者对此有不同的研究。

虞跨海等人研究了单体锂离子储能电池三维电化学 - 热耦合模型建模技术，开展了不同放电条件下的电池温升曲线数值仿真和实验测试。研究结果表明：锂电池温升呈现非线性特征，在放电末期温升加速明显^[15]；外壳材料对电池散热有一定的影响；根据实验结果可知，本文所建立的模型能够较为精准地模拟锂电池放电过程的热行为。