摘 要

近年来汽车工业的快速发展，在给人们生活生产带来快捷与便利的同时，也加剧了能源的短缺和环境的污染。对比传统内燃机汽车，纯电动汽车具有节能环保的优点，而锂离子电池作为电动汽车主要的动力装置，是电动汽车的关键部件。锂离子电池具有比能量大、循环寿命长、安全性能好等优点，一直是世界各国的研究热点之一。然而，锂离子电池的性能与其在工作过程中的实际环境温度密切相关。在低温环境下，锂离子电池的容量会显著的下降，电阻也会急剧的增大。这种性能上的下降将极不利于电动汽车在高寒地区的推广使用。针对这一问题，本文选用LF50型磷酸铁锂电池作为模型，设计确定加热机构和电池箱结构，使用有限元分析软件ANSYS，分别对锂离子电池在不同低温环境温度下的预热模型以及不同放电倍率下的温升模型进行了仿真分析。根据仿真的结果，本文同时设计了低温加热控制机构，以保证锂离子动力电池组安全高效地运行。

关键词：锂离子电池；温度场分析；低温加热系统；控制策略

Abstract

In recent years, the rapid development of the automobile industry has brought convenience and convenience to people's living and production, and has also aggravated energy shortage and environmental pollution. Compared with traditional internal combustion engine vehicles, pure electric vehicles have the advantages of energy saving and environmental protection, and lithium ion batteries are the main power units of electric vehicles and are the key components of electric vehicles. Lithium-ion batteries have the advantages of large specific energy, long cycle life and good safety performance, and have been one of the research hotspots in the world. However, the performance of a lithium-ion battery is closely related to its actual ambient temperature during operation. In a low temperature environment, the capacity of a lithium ion battery will drop significantly, and the resistance will increase sharply. This decline in performance will be extremely detrimental to the promotion of electric vehicles in alpine regions. In response to this problem, this paper selects LF50 lithium iron phosphate battery as the model, designs and determines the heating mechanism and battery box structure, and uses the finite element analysis software ANSYS to preheat the lithium ion battery in different low temperature environment and different discharge. The temperature rise model under the magnification was simulated and analyzed. According to the simulation results, this paper also designed a low-temperature heating control mechanism to ensure the safe and efficient operation of the lithium-ion battery pack.

Keywords: Lithium Ion Battery； Temperature field analysis； Low temperature heating system；Control Strategy

目录

第1章 绪论 1

1.1 本课题研究的背景、目的及意义 1

1.2 本课题国内外研究现状 1

1.3 本课题主要研究内容 2

第2章 锂离子电池低温特性研究现状 3

2.1 锂离子电池的内部结构 3

2.2 锂离子电池的工作原理 3

2.3 锂离子电池低温特性 4

2.3.1 低温对锂离子电池充放电的影响 4

2.3.2 低温对锂离子电池容量的影响 5

2.3.3 低温对锂离子电池特征参数的影响 7

2.4 锂离子电池的低温加热方法 9

2.4.1 自加热锂离子电池结构法 9

2.4.2 宽线金属膜加热法 10

第3章 锂离子电池建模与仿真分析 12

3.1 锂离子电池参数的选择 12

3.2 电池箱的初步设计 13

3.2.1 电池箱体设计 13

3.2.2 锂离子电池组设计 14

3.3 锂离子电池预热模型建立及仿真分析 15

3.3.1 锂离子电池预热模型建立 15

3.3.2 单体锂离子电池预热模型仿真分析 18

3.3.3 锂离子电池组预热模型仿真分析 19

3.4 锂离子电池温升模型建立及仿真分析 21

3.4.1 锂离子电池温升模型建立 21

3.4.2 单体锂离子电池温升模型仿真分析 22

3.4.3 锂离子电池组温升模型仿真分析 23

3.5 电池箱的优化设计 24

3.6本章小结 26

第4章 锂离子电池低温加热管理系统设计 27

4.1 管理系统硬件的选择及布置 27

4.2 管理系统程序设计 28

4.2.1 温度采集程序 28

4.2.2 加热膜功率控制程序 29

4.2.3 温度控制程序 31

4.3本章小结 33

总结与展望 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1 本课题研究的背景、目的及意义

在汽车工业发展的历史中，化石燃料的不可再生性、化石燃料在燃烧过程中的排放以及由此带来的环境污染问题一直备受关注。自2003年以来，世界范围内的的石油价格不断攀升，并最终居高不下，这使得各国之间的石油供需矛盾日益尖锐，能源供应成为发达国际与发展中国家共同面临的重大问题，各国政府联合汽车企业纷纷开始了新能源汽车的研究发与推广工作。另一方面，环境是人类赖以生存和发展的基础，但是在近100多年的世界历史中，空气污染对人类健康和地球生态环境已经造成了很大的威胁，其中化石燃料的大量使用及其工业生产过程是造成大气污染的主要原因。而传统内燃机汽车的燃料的原料就是石油，因此电动汽车的研究刻不容缓。

从环保的角度分析，电动汽车是较传统内燃机汽车低排放的交通运输工具，即使把因增加的基础发电设施而增加的排放计算在内，从总量上看，使用电动汽车也将使污染空气的有害气体大量减少；从能源的角度分析，电动汽车将使能源的利用方式得到改变，使其变得多元化和高效化，缓解对单一化石燃料的需求压力。

锂电池作为电动汽车的重要部件，仍有许多问题亟待解决。随着电动汽车应用地域范围的逐渐增大，锂离子电池在低温环境下显现出各种问题。在低温环境下，电池的工作处于一种非健康的状态，这会造成电池的充放电过程困难，进而使电池的工作寿命缩短，减少电动汽车的续航里程。因此有必要对低温环境下的锂离子电池加热方案进行研究。

1.2 本课题国内外研究现状

根据国际能源署（IEA）于2016年公布的数据显示，在全球范围内，电动汽车的保有量达200万辆^[1]。其中中国、美国、英国、法国、德国、日本等十个国家的电动汽车发展处于领先地位，囊括了电动汽车在全球范围的销量的95%。各国都就电动汽车的发展采取了积极的行动。根据我国国务院发布的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012~2020）》，我国电动汽车的保有量将与2020年超500万辆^[2]。美国推出了三个有关电动汽车的重大科技项目：新一代汽车伙伴计划（PNGV）、自由汽车计划（Freedom CAR）和高技术汽车制造激励计划（ATVMIP），以推进电动汽车的发展^[3]。日本计划实现电动汽车在新车销量中的占比于2020年达50%，于2030年达70%，并在2050年实现电动汽车保有量达880万辆。欧洲的宝马、奔驰、奥迪等知名汽车公司也一直致力于电动汽车的研发^[4]。

动力电池的研究作为制约电动汽车发展的关键技术项目之一，一直是各研发单位关注的重点。基于电池的工作原理，电池只有在特定的温度范围才能正常发生充放电的电化学反应，在低温环境下，电池冷启动效率低，电池放电深度无法满足电动汽车动力性能的需求，继而制约电动汽车在高寒地区的使用与推广。目前，电池低温加热方式主要有内部加热和外部加热。针对内部加热，Andreas等采取加载高频交流电的方法^[5]，指出内部加热较外部加热，电池受热更均匀，预热速度更快；T.A.Stuart等采取分别对不同的材料加载不同频率等级交流电的方法^[5]，指出铅酸电池更适用于低频电流，镍氢电池更适用于高频电流；清华大学的张剑波教授等采用加载7A/Hz的交流电的方法，指出对电池预热，增加交流电的幅值比调整交流电的频率更高效^[6]。针对外部加热，张国宁等采用宽线金属膜构成的装置进行电池预热^[6]，发现较未预热时，预热后的电池放电量可以提高50%；Yuan hao等采用的液体循环管加热与散热的热管理装置^[7]，实现了平均温度的控制。

1.3 本课题主要研究内容

锂离子动力电池的性能易受环境温度影响，当环境温度降低时，电池充放电时的欧姆内阻和极化内阻都会增大。在低温环境下，电池续航里程有所下降。为保证电池在低温环境下的寿命及性能，需要设计相应的电池热管理系统中的加热机构。基于锂离子电池的工作原理，对锂离子电池在低温环境下的性能进行分析，综合设计锂离子动力电池组的在不同环境下的预热模型和温升模型，对其进行低温和温升仿真分析，优化设计低温加热机构，从而使其快速恢复到最佳的服役温度，提升锂电池组的工作效率。

第2章 锂离子电池低温特性研究现状

2.1 锂离子电池的内部结构

锂离子电池是一种二次电池，较一次电池而言更加符合可持续发展战略。纵观电池的发展历史，从1970年由埃克森的M.S.Whittingham制成了首个锂电池，到1992年由日本索尼公司研发出锂离子电池，以及1996年由Padhi和Googenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐，都是里程碑般的存在^[8]。本设计将选用磷酸铁锂电池，其重要结构主要为正电极、负电极、隔膜、电解液四部分，另外还有的结构为正极集流体、负极集流体、和电池外壳几个部分。锂离子电池内部结构图如图2-1所示。

图2-1

锂离子电池的性能受到多方面的影响，而正负极材料是最主要的方面。磷酸铁锂电池采用具有橄榄石结构的磷酸铁锂材料作为电池的正极，石墨材料作为电池的负极，其安全性能和循环使用寿命是其他正负极材料无法媲美的，并且可以使锂离子电池更易串联使用^[9]。锂离子电池正负极集流体的材料分别采用铝箔和铜箔；隔膜采用聚合物，例如聚烯烃多孔膜^[23]，将正负电极分隔开来；正负电极周围充满了成分为LiPF₆锂盐的电解质溶液。

2.2 锂离子电池的工作原理

本设计选用的磷酸铁锂电池的正极材料为磷酸铁锂材料，LiFePO₄在工作时发生的化学反应与其它材料的电池不同，其反应并非是单一可逆的化学反应，而是有着两个独立进行的正负极反应^[10]。磷酸铁锂电池正极的脱锂与嵌锂构成了磷酸铁锂电池的充放电过程，其化学反应公式为：

正极充电过程：

LiFePO₄-xLi -xe^-→xFePO₄ （1-x）LiFePO₄

负极放电过程：

FePO₄ xe^- xLi →xLiFePO₄ （1-x）FePO₄

磷酸铁锂电池的工作原理图如图2-2所示。当磷酸铁锂电池充电时，Li 从正极材料LiFePO₄中脱离出来，在电解质溶液中移动，通过聚合物隔膜，向电池的负极方向移动，最终嵌入负极材料石墨的晶格中，同时经由外部电路的电子e-，从电池正极流向负极，以保证电池正负两极的电荷平衡。当磷酸铁锂电池放电时，从电池正极到达负极的Li 由石墨晶格中脱离出来，再次通过聚合物隔膜，重新嵌入磷酸铁晶格中，使FePO₄转化为LiFePO₄，同时电子e-重回正极，与充电过程的反应机理恰好相反。

图2-2

2.3 锂离子电池低温特性

2.3.1 低温对锂离子电池充放电的影响

在低温环境下锂离子电池的充放电性能下降，可以根据阿伦尼乌斯公式（Arrhenius equation）得到影响原因，其表达式如下：

（2-1）

式中:k——为化学反应速率常数（s^-1）

A——为指前因子（s^-1）

Ea——为表现活化能（J/mol）

R——为摩尔气体常量（J/(mol·K)）

T——为热力学温度

从式中可以看出，电化学的反应速率与温度有关，反应温度降低，反应速率随之减慢。从较为微观的角度分析，在低温环境下锂离子电池的充电能力下降，是由于Li 难以嵌入电池负极石墨材料的晶格中，致使Li 在电池负极处聚集，严重情况下甚至会造成充电短路^[24]；在低温环境下锂离子电池的放电能力下降，是由于电池内部参与反应的活化物质减少，电池的极化效应增大。

图2-3-1显示了温度与锂离子电池的峰值放电功率之间的关系，图2-3-2显示了温度与锂离子电池的峰峰值充电功率之间的关系。从两个曲线图中可以看出，锂离子电池的峰值充放电功率都随着温度的降低而衰减。在峰值放电曲线图中，以显示性能最优的50曲线与显示性能最差的-10曲线为例进行比较分析。50时，当SOC低于20%时，锂离子电池的峰值放电功率下降至400W左右，而当SOC处于20%~90%范围内，锂离子电池的峰值放电功率处于1300W~1500W之间。-10^oC时，锂离子电池的峰值放电功率均在100W左右，而且当SOC小于50%时，锂离子电池的放电工作过程甚至无法正常维持。再看锂离子电池的平均峰值放电功率，计算在SOC为50%~90%范围内的数值，-10平均峰值放电功率为100W，仅为50时的1400W的7%。锂离子电池的峰值充电功率较峰值放电功率，在数值上整体有所下降，趋势相反，但各温度环境下的数值关系大体一致。

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