滿足純電動汽車駕駛要求的動力電池系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u17337摘要 227601第1章緒論 2111351.1論文研究背景 3233621.2純電動汽車動力電池系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 4316151.2.1純電動汽車對動力電池的要求 4226321.2.2純電動汽車動力電池技術(shù)指標(biāo) 5256631.2.3鋰離子電池包的研究現(xiàn)狀 717221.2.4各品牌動力電池包系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 810771.3課題內(nèi)容介紹 1130765第2章純電動汽車電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計 12177862.1電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求 12221792.2電池包基本參數(shù)的確定 1315362.3電池模塊設(shè)計 19177792.4電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計 26218982.4.1電池模塊在電池包中的布置 26194302.4.2電池組固定結(jié)構(gòu)設(shè)計 27252022.5電池包箱體設(shè)計 2941522.6電池包比能量的計算 3011746第3章動力電池包有限元型模 3252923.1動力電池包有限模型的建立 3258113.1.1有限元方法的基礎(chǔ)理論 3254023.1.2動力電池包三維模型 32218543.1.3動力電池包材料及厚度 34182673.2本章小結(jié) 3526999第4章該款純電動汽車動力性的仿真與分析 35106474.1ADVISOR軟件仿真步驟 3525074.1.1定義車輛的仿真參數(shù) 3529804.1.2運行仿真 36210324.1.3該款純電動汽車性能仿真研究 3716418結(jié)論與展望 38144參考文獻 40摘要本文主要針對動力電池包的設(shè)計以及特性進行研究，本文選用NCRI8650PF鋰離子電池作為電池單體，設(shè)計了從電池單體、電池包到電池系統(tǒng)多層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究電動汽車的動力電池系統(tǒng)，運用材料科學(xué)、機械設(shè)計和計算機仿真分析方法設(shè)計出滿足純電動汽車駕駛要求的動力電池系統(tǒng)。本文主要完成的研究工作可以概括如下:1.電池包機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及樣品試制：根據(jù)目標(biāo)車型要求，合理設(shè)計電動汽車電池系統(tǒng)參數(shù)，確定單個電池包基本構(gòu)架，即18個電池單體并聯(lián)成電池模塊，28個電池模塊串聯(lián)成動力電池包。電池模塊及電池組進行機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，電池包設(shè)計過程中主要完成電池模塊的固定與連接設(shè)計、電池包的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計以及電池內(nèi)部的導(dǎo)線導(dǎo)電能力的校核，最終完成并制作了比能量滿足汽車行駛要求的電池包。2.電池單體電芯正負極材料選擇及電池結(jié)構(gòu)、安全性方面優(yōu)化?？傮w規(guī)劃電池系統(tǒng)的電池排布及電池模組和箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計。國家要求電池系統(tǒng)必須滿足五年或十萬公里使用壽命，結(jié)構(gòu)設(shè)計是其中很重要的設(shè)計環(huán)節(jié)，包括電池箱體、電池模組、高壓系統(tǒng)布置、密封絕緣設(shè)計等。根據(jù)項目性能指標(biāo)要求設(shè)計系統(tǒng)排布方案，設(shè)計滿足相關(guān)電器要求的模組方案，對于設(shè)計出整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用模擬仿真軟件隨機振動強度，并在方案上進一步優(yōu)化設(shè)計。關(guān)鍵詞:純電動汽車;鋰離子電池;結(jié)構(gòu)設(shè)計;模組設(shè)計。第1章緒論為應(yīng)對能源和環(huán)境危機，世界各國都在致力于新能源汽車的開發(fā)。純電動動力汽車（Pureelectricvehicles）克服了插電式混合動力汽車?yán)m(xù)航里程短和傳統(tǒng)燃油動力汽車燃油燃燒率不高的缺陷，被認為是當(dāng)前最具有發(fā)展?jié)摿Φ男履茉雌嚒?】。針對現(xiàn)有動力電池技術(shù)存在電能量損耗大以及在能量利用率不高的問題，動力電池技術(shù)【2】是純電動汽車的三大關(guān)鍵技術(shù)之一，好的動力電池包要具備較高的比能量和比功率，穩(wěn)定的電性能和良好的安全性等。純電動汽車中動力電池【3】是驅(qū)動系統(tǒng)唯一動力源，主要有鋰離子、鎳氫和燃料電池等。其相應(yīng)特性必須滿足安全性能要求、電動汽車行駛續(xù)航;電池單體及系統(tǒng)設(shè)計對電池的功率特性、整體結(jié)構(gòu)強度、電池溫度、循環(huán)性能，BMS保護控制都有嚴(yán)格要求。目前作為動力源的動力電池是制約電動汽車發(fā)展的主要因素,電動汽車則因電池重量大、能量密度低、充電時間長、續(xù)航里程和使用壽命短以及制造成本高等原因造成電動汽車發(fā)展緩慢。但上世紀(jì)80年代起，節(jié)能與環(huán)保問題成為世界各國關(guān)注的主要社會問題，特別是新型高能電池技術(shù)的發(fā)展，使電動汽車又進入了一個新的發(fā)展階段，自2000年以來，中國電動汽車從無到有，技術(shù)處于持續(xù)進步狀態(tài)，建立起了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電動汽車全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系。本文中涉及電池的工作原理和特性、電池系統(tǒng)的設(shè)計及強度分析等電池特性。針對這些特性分析了電池在電動汽車上使用時需要解決的一些問題。將電池結(jié)構(gòu)設(shè)計與電池管理系統(tǒng)結(jié)合在一起，研究電動汽車電池系統(tǒng)的應(yīng)用形式，完成從理論向?qū)嶋H，應(yīng)用轉(zhuǎn)化，通過合理化研究力求向國內(nèi)整車企業(yè)提供測試產(chǎn)品，為國內(nèi)電動汽車的研發(fā)提供有力的技術(shù)支持。1.1論文研究背景作為發(fā)展中的國家，各領(lǐng)域的發(fā)展一直在不斷的發(fā)展，有許多能源的開發(fā)也是必然的趨勢，而有些能源的利用確實非持續(xù)發(fā)展，一旦將這些能源開采完便不復(fù)存在。而現(xiàn)在環(huán)境的改變讓我們的思想也發(fā)生了改變，能源的不合理使用導(dǎo)致的環(huán)境問題便提上日程，其中碳排放不僅僅是我國關(guān)注的話題也是世界所探究的問題。在這種背景下，新能源電動汽車的研究就有極其重要的意義。我國在這方面的發(fā)展相對滯后，且付出的行動范圍小，但我們正朝著正確的方向前進，研究更適合時代發(fā)展更適合在環(huán)境中生存的方法。本文在進行詳細研究后，就我國新能源電動汽車市場發(fā)展現(xiàn)狀及路徑、影響其發(fā)展的重要因素以及發(fā)展策略等幾個方面做出論述。在現(xiàn)實影響下，全球范圍內(nèi)的能源和資源在時代的演變中都或多或少的發(fā)生了質(zhì)的改變，有些能源和資源面臨著消失并永遠不會出現(xiàn)，這種現(xiàn)象讓各個國家看到了形勢的嚴(yán)峻，在不同的領(lǐng)域去探索更合適的替代物或者讓其資源能夠更加合理的運，用來減緩消失的速度。就目前來說，汽車作為對于能源消耗的重要因素，對于汽車今后的發(fā)展有很大的阻力，很多物件沒有了能源的開發(fā)將會無法進行，對這一行業(yè)的后續(xù)影響深遠。因為汽車的供應(yīng)是大眾的需求，各國的經(jīng)濟發(fā)展離不開各產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對此各國也都積極獻策，制定汽車的節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)，還給人們一個嶄新的藍天，就此新能源電動汽車應(yīng)運而生。我國也在不斷提出相關(guān)政策來推動新能源電動車的發(fā)展，在最大程度.上降低能源消耗和碳排放量，為環(huán)保做出貢獻。圖1.1主流新能源汽車1.2純電動汽車動力電池系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀1.2.1純電動汽車對動力電池的要求據(jù)美國高新動力電池開發(fā)聯(lián)合體為電動汽車動力電池制定的開發(fā)目標(biāo)來看，目前所開發(fā)的各類電動汽車動力電池，與中期目標(biāo)相比，都還有一定的距離，尚有大量的工作要做，作為電動汽車動力電池應(yīng)滿足以下要求【4】。（1）高比能量（它關(guān)系到一次充電可行使的距離）。動力電池容量有限，未能實現(xiàn)突破。目前市場上使用的電動汽車一次充電后的續(xù)駛里程一般為100～300km，并且這還需要保持適當(dāng)?shù)男旭偹俣燃熬哂辛己玫膭恿﹄姵卣{(diào)節(jié)系統(tǒng)才能得到保證，而絕大多數(shù)電動汽車在一般行駛環(huán)境下續(xù)駛里程只有50～100km。（2）大功率（它涉及電汽車的加速特性和爬坡能力）。（3）循環(huán)壽命長（它涉及流動成本）。目前，實際應(yīng)用的動力電池組的循環(huán)壽命短，普通動力電池充放電次數(shù)僅為300～400次，即使性能良好的動力電池充放電次數(shù)也不過700～900次，按每年充放電200次計算，一個動力電池的壽命最多為4年，與燃油汽車的壽命相比太短。（4）充放電效率高（它涉及節(jié)省能源及成本）。（5）原材料來源豐富，成本低（它涉及基本建設(shè)費用等）。目前，電動汽車動力電池的價格約為100美元/（kW·h），有的甚至高達350美元/（kW·h），成本太高，用戶難以承受。（6）安全（它關(guān)系到在使用過程中是否可靠，方便）。動力電池安全性得不到保障，中小容量鋰動力電池的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)非常成功，但大容量、高功率鋰動力電池的安全性問題還未得到有效解決。而動力電池容量越大，其一旦失控所造成的危害就越大。針對動力電池安全性方面，需在電氣安全、機械安全和熱安全的基礎(chǔ)上開展動力電池系統(tǒng)的安全性整體方案設(shè)計研究，針對動力電池系統(tǒng)開展故障診斷預(yù)測、熱安全監(jiān)測預(yù)警和防控關(guān)鍵技術(shù)。（7）易保養(yǎng)（關(guān)系到可靠性和方便性）。（8）與環(huán)境友好（涉及資源能否再生及環(huán)境保護等問題）。目前使用的動力電池主要為鉛酸動力電池、鎳氫動力電池、鎳鎘動力電池。原料從開采到生產(chǎn)，再到廢棄后的處理，都會對環(huán)境造成污染。（9）外觀?，F(xiàn)有電動汽車動力電池的外體積一般要達到550L。當(dāng)把這么大體積的動力電池用于家庭轎車上時，必然要擠占轎車的后備廂空間?，F(xiàn)有電動汽車所使用的動力電池都不能在儲存足夠能量的前提下保持合理的尺寸和質(zhì)量。1.2.2純電動汽車動力電池技術(shù)指標(biāo)從實際應(yīng)用中看，電動汽車動力電池的性能好壞主要取決于以下幾個指標(biāo):（1）比能量（W·h/kg）單位質(zhì)量的電極材料放出電能的大小，它標(biāo)志著純電動模式下電動汽車的續(xù)航能力。動力電池的輸出能量是指在一定的放電條件下，動力電池所能做出的電功，它等于動力電池的放電容量和動力電池平均工作電壓的乘積，其單位常用瓦·時（W·h）表示。動力電池的比能量有兩種，一種稱為質(zhì)量比能量，用瓦·時/千克（W·h/kg）表示；另一種稱為體積比能量，用瓦·時/升（W·h/L）表示。比能量的物理意義是動力電池為單位質(zhì)量或單位體積時所具有的有效電能量，它是比較動力電池性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。動力電池單體和動力電池組的比能量是不一樣的，由于動力電池組合時總要有連接條、外部容器和內(nèi)包裝層等，故動力電池組的比能量總是小于動力電池單體的比能量。（2）比功率（W/kg）單位質(zhì)量的動力電池所能提供的功率，用來判斷電動汽車的加速性能和最高車速，直接影響電動汽車的動力性能。動力電池的功率是指在一定的放電條件下，動力電池在單位時間內(nèi)所能輸出的能量，單位是瓦（W）或千瓦（kW）。動力電池的單位質(zhì)量或單位體積的功率稱為動力電池的比功率，它的單位是瓦/千克（W/kg）或瓦/升（W/L）。如果一個動力電池的比功率較大，則表明在單位時間內(nèi)，單位質(zhì)量或單位體積中給出的能量較多，即表示此動力電池能用較大的電流放電。因此，動力電池的比功率也是評價動力電池優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。（3）比功率密度（W·h/L）動力電池所能輸出的最大功率除以整個動力電池的質(zhì)量或體積，用來描述動力電池在瞬間能放出較大能量的能力。電動汽車動力電池性能比較見表1.1動力電池類型比能量/（w·h/kg）比功率密度/（w·h/L）比功率/（w/kg）循環(huán)次數(shù)/次成本/【美元/（kw·h）】鉛酸動力電池30~4560～90200～300400～600150鎳鎘動力電池40～6080～110150～350600～1200300鎳氫動力電池60～80120～160550400鈉硫動力電池100150200800250～450鋰動力電池90～130140～200250～450800～12002001.2.3鋰離子電池包的研究現(xiàn)狀對于純電動汽車和混合動力汽車來說，動力電池是其必不可少的核心組件。從早期的鉛酸電池、鎳氫電池，到現(xiàn)在的鋰離子電池【5】，車用動力電池也走過漫長的過程。目前公認比較適用于電動汽車的動力電池類型是鋰離子電池，其具有能量密度高、大倍率充放電以及循環(huán)壽命長等性能特點【6】，這些使用性能對電動汽車的發(fā)展具有重大的影響23。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國從20世紀(jì)80年代初才開始研究鋰離子電池，相較于日韓等國起步較晚，技術(shù)方面較為落后，但隨著近幾年國家在鋰離子電池領(lǐng)域的研發(fā)投入，政策上的支持，中國的動力電池企業(yè)進步速度非常快，與日韓的差距已經(jīng)越來越小。直至目前，在電池技術(shù)方面涌現(xiàn)出許多優(yōu)秀的企業(yè),例如寧德時代、比亞迪、孚能科技等，這些企業(yè)在動力電池技術(shù)方面取得非常大的進步，并成功將動力電池搭載在汽車上。寧德時代是動力電池行業(yè)的新秀,始于寧德新能源科技有限公司(ATL),其在電動大巴車上的應(yīng)用主要是磷酸鐵錁電池，在乘用車上的應(yīng)用全面轉(zhuǎn)向鎳鈷錳三元鋰電池，其產(chǎn)品外形主要以方形為主;深圳比亞迪一直堅持走較為安全的磷酸鐵鋰電池路線,其自主生產(chǎn)的車型大都以磷酸鐵錁電池為主，不過近幾年受日韓企業(yè)的影響，其新款電動汽車上已經(jīng)有三元鋰電池的應(yīng)用;孚能科技是近幾年的后起之秀，其技術(shù)路線主要走軟包外形三元鋰電池路線。截止到2018年底,我國量產(chǎn)的動力電池單體能量密度達到了265Wh/kg,成本控制在1元/Wh以下，已經(jīng)提前達到《中國制造2025》中的目標(biāo)，較2012年，能量密度提高了2.2倍，成本下降了75%14。日本是世界上比較早進行鋰離子電池研究的國家，日本SONY公司于1991年開始將鋰電池商業(yè)化，自此鋰電池從電子產(chǎn)品領(lǐng)域走向電動工具領(lǐng)域，以及現(xiàn)在的電動汽車和儲能當(dāng)面的應(yīng)用。在鋰電池領(lǐng)域日本目前的主要企業(yè)有松下、東藝、日立等，從鈷酸鋰電池到錳酸鋰電池再到鎳酸鋰電池，這些企業(yè)在鋰電池領(lǐng)域具有豐富的技術(shù)積累，其中以松下的三元鋰電池(NCMNCA)布局最引人注目，憑借其豐富的技術(shù)積累，成為Tesla獨家圓柱電池供應(yīng)商，進一步擴大在全球動力電池市場占據(jù)的份額,而東芝公司主要以鈦酸鋰電池做為技術(shù)路線，在產(chǎn)品外形上，日本各大鋰電企業(yè)主要以圓柱形和方形電池，軟包電池應(yīng)用較少。韓國的鋰電池產(chǎn)業(yè)起步較晚于日本，但是發(fā)展迅速，在全球動力電池市場范圍內(nèi),都可以見到兩個從事鋰電行業(yè)的身影，即三星SDI和LG化學(xué),這兩家鋰電行業(yè)巨頭幾乎壟斷韓國鋰電市場。早期的三星SDI和LG化學(xué)主要走錳酸鋰電池路線,但是近年來,二者均全面向鎳鈷錳三元鋰電池轉(zhuǎn)型,在產(chǎn)品外形上,三星SDI主要是方形鋰電池路線，LG化學(xué)則主要以軟包路線為主。表1.2為國內(nèi)外知名電動汽車中鋰離子電池的應(yīng)用情況說明【7】。國外知名廠商鋰離子電池應(yīng)用情況表1.2品牌型號選用電池電池形狀冷卻方式布置方式電池總?cè)萘亢唾|(zhì)量特斯拉18650NCR圓柱形水冷冷卻長方形平鋪在整個車廂地板內(nèi)60kw·h/85kw·h雪佛蘭Volt鋰離子電池薄片型水冷冷卻T字形電池組16kw·h，197kg奧迪R8e-tron鋰離子電池棱形液體冷卻T字型鋰離子電池組53kw·h，550kg寶馬i3鋰離子電池方形液體冷卻驅(qū)動模塊的底部22kw·h日產(chǎn)Leaf鋰離子電池薄片形空氣冷卻車身中間地板下面24kw·h本田Fit磷酸鐵鋰電池薄片形空氣冷卻裝配在車底20kw·h1.2.4各品牌動力電池包系統(tǒng)研究現(xiàn)狀動力電池系統(tǒng)為電動汽車提供動力,通常動力電池系統(tǒng)是先由多個電池單體構(gòu)成電池模塊，再根據(jù)電動汽車的需求，串聯(lián)或并聯(lián)多個電池模塊構(gòu)成動力電池系統(tǒng)。電池單體通常是指單個電化學(xué)電芯,通過一定的機械連接和電連接，將電池單體串聯(lián)或者并聯(lián)組成具有大電壓或者大電流的結(jié)構(gòu)稱之為電池模塊。電池模塊具有質(zhì)量小、電壓低、便于移動等特點，便于組裝成電池系統(tǒng)。動力電池系統(tǒng)除了電池模塊、電連接結(jié)構(gòu)以及機械固定結(jié)構(gòu)外還包括電池?zé)峁芾?、電池電壓管理以及電池安全所需的BMS模塊,BMS模塊常包括電池傳感器、控制器以及制動器。圖1.2為豐田公司第三代普銳斯電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，它主要由6個電池單體組成電池模塊，再由若干電池模塊組裝成電池組。圖1.22009款豐田第三代普銳斯電池系統(tǒng)圖圖1.3為2011款雪弗蘭(Volt)電池組，該電池組主要由4個電池模塊組成T型,這樣便于電池組在汽車底盤的布置，每-一個電池模塊均由薄片型鋰離子電池組成。通過母線來連接4個電池模塊，保證安全，設(shè)置一個緊急的斷電開關(guān)。圖1.32011款雪佛蘭（volt）電池組結(jié)構(gòu)圖圖1.4表示2014款日產(chǎn)leaf電池組構(gòu)成,該電池組采用4節(jié)電池單體串并結(jié)合的方式組成電池模塊,再由48個電池模塊串聯(lián)成電池組的方式?？紤]層疊式電池厚度較薄，表面積較大等特點，沒有進行散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，而是采用自然冷卻的方式進行散熱。圖1.42014款日產(chǎn)leat電池組結(jié)構(gòu)圖圖1.5(a),(b)為2014款特斯拉Models純電動汽車的電池包結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)先采用多個18650電池組裝成電池包，再由單體電池包組裝成電池組，最終將電池組緊湊的布置在底盤上。每一個電池單體均設(shè)置導(dǎo)熱管路，并將導(dǎo)熱管路與電池單體外殼進行絕緣處理。每一個電池組均設(shè)置獨立的BMS系統(tǒng)，監(jiān)測電池組內(nèi)部電池單體的容量、電壓及溫度的變化。圖1.5（a）特斯拉Models電池組構(gòu)成圖1.5（b）特斯拉Models裝配圖1.3課題內(nèi)容介紹本課題是使某款純電動轎車的動力性能達到如下指標(biāo):最高車速Vmax不小于120km/h,最大爬坡度α不小于25%，加速時間t不大于6秒(0-50km/h)，續(xù)航里程S達到180km。該款轎車的整車參數(shù)如下:整車質(zhì)量m=1000kg,滿載質(zhì)量M=1500kg,迎風(fēng)面積A=1.9m2，輪胎滾動半徑r=320mm，風(fēng)阻系數(shù)Cd=0.2,滾動阻力系數(shù)f=0.015,質(zhì)量轉(zhuǎn)換系數(shù)δ=1.04，傳動效率μT=0.93。設(shè)計內(nèi)容：（1）優(yōu)化選擇電池組類型、電池電極材料類型，確定電池容量、電壓，電池數(shù)目以及組合方式，電池組連接方式。（2）優(yōu)化選擇電池包的散熱箱體材料。（3）優(yōu)化設(shè)計電池包各部件的裝配方法。（4）繪制電池包的裝配圖，繪制電池單體、電極、電池殼體、電池組、電池包箱體等關(guān)鍵部件圖。工程繪圖量一般不少于折合成圖幅為A0號的圖紙3張，其中手工繪圖不少于1張。（5）對電池包進行建模，并對設(shè)計的純電動轎車的動力性進行仿真分析。第2章純電動汽車電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求電池包是一個機械與電的集成，尤其是電動汽車電池包安裝在汽車上，受到地面的激勵以及電池在充放電過程中產(chǎn)生大量的熱量等一系列問題。所以在純電動汽車機械結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，要滿足一下原則[8]:(1)良好的絕緣性:電動汽車的電池箱的輸出電池一般為120V,遠高于人體的安全電壓，所以在設(shè)計過程中，要充分考慮電池組與電池箱體、電池箱體與汽車之間的絕緣問題;(2)減震防撞能力:汽車行駛在顛簸的路面上，這樣要充分考慮電池模塊在電池箱體中的固定、電池箱體在汽車上的固定要滿足汽車振動、側(cè)翻和防撞的基本要求;(3)具有良好的散熱能力:電池在放電過程中會產(chǎn)生大量的熱量，電池箱體的設(shè)計不僅滿足抑制電池箱體溫度上升的要求，還應(yīng)使電池箱內(nèi)部溫度差異較小;(4)良好的防水防塵能力:電池箱體具有一定的防水防塵能力;(5)滿足整車的安裝條件:電池最大外形應(yīng)該滿足汽車整車安裝的要求。滿足上訴機械設(shè)計要求之后，電池包要充分的考慮最終比能量的設(shè)計。商品化的電池單體比能量能夠高達240W.h/kg，但是電池單體串并聯(lián)組成電池包后，其比能量會迅速下降，所以在設(shè)計過程中，應(yīng)將比能量作為電池包參數(shù)優(yōu)化的一個目標(biāo)。參考特斯拉Models,整個電池系統(tǒng)的重量為450kg，比能量高達120W.h/kg，EnerDel公司設(shè)計的某款電池組由比能量為150W:h/kg的高能疊片袋裝電池組裝，最終電池組級別的比能量大約是90W.h/kg。三菱iMiEV將88個鋰離子電池單體串聯(lián)成電池組后,電池組的比能量為82W.h/kg,綜上所述，本課題將電池包的比能量目標(biāo)設(shè)計為95W.h/kg.2.2電池包基本參數(shù)的確定2.2.1電源系統(tǒng)設(shè)計1.整車設(shè)計的基本要求整車設(shè)計的參數(shù)如表2.1所示純電動汽車性能要求表2.1參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值整車裝備質(zhì)量/kg1000空氣阻尼系數(shù)/(N·S2/m?)0.2整車滿載總質(zhì)量/kg1500滾動阻尼系數(shù)0.015軸距/mm320加速時間要求/s≤6迎風(fēng)面積要求/㎡1.9行駛里程/km1802.整車功率的需求與電機的選擇(1)最大功率的確定根據(jù)汽車?yán)碚撘约捌囋O(shè)計，汽車功率平衡的關(guān)系應(yīng)滿足式(2.1)要求【9】ΡV=1ηr(mgfrua3600式(2.1)中，Pv表示車輛需求的功率，單位kw;ηT表示傳動系統(tǒng)效率，本課題選用輪轂電機，傳遞效率為1;ua代表汽車車速，單位km/h;CD表示空氣阻尼系數(shù);fr為汽車滾動阻尼系數(shù);A表示汽車迎風(fēng)面積，單位為㎡。汽車最大需求功率應(yīng)該滿足汽車在啟動加速、爬坡以及在最高車速下的最大功率需求，所以進行三種情況下需求功率的計算。最高車速umax車輛功率需求:ΡV1=1ηr(mgfru最大爬坡度i=0.2,爬坡速度ua=15km/h,電動汽車需要的功率為:ΡV2=1ηr(mgfrcosam百公里加速時，汽車在加速末時刻功率需求:ΡV3=Va3600ηr{mgfr+δmVa0.36[1-(t?0.1其中，δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算因數(shù),取值為1.1,x為擬合系數(shù)一般取0.5，本課題取0.45通過公式計算可以得出汽車最高車速、最大爬坡度以及百公里加速需求功率分別為24.547kw，14.197kw,46.712kw。通過上面計算可知,電動機的最大功率應(yīng)大于46.712kw,電機在額定功率附近效率最高，所以通常根據(jù)電動汽車最高車速確定汽車的額定功率，同時應(yīng)該保留一定的后備功率。所以在選擇輪轂電機時，額定功率應(yīng)大于14.2735kw,最大功率應(yīng)大于24.356kw。本課題選擇電機的額定功率為15kw,最大功率為24.7kw。（2）電機的選擇為了保護電源系統(tǒng)，使控制總線的工作電流在一定的范圍內(nèi)，需要進行一定的高壓設(shè)計，這樣電機輸出的轉(zhuǎn)矩以及功率也會越大，車輛動力學(xué)性能較好。但是直流總線的最高電壓不能過高，電壓應(yīng)在一定的范圍內(nèi)。國標(biāo)中推薦的電壓等級有120V、144V、168V、192V、216V等，本課題依據(jù)實驗室現(xiàn)有情況，選擇電動汽車電機的額定電壓為192V.3、電源系統(tǒng)基本參數(shù)的確定(1)電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓及電壓范圍根據(jù)電機電壓為192V,電極的工作電壓不超過額定電壓的120%不低于額定電壓的80%，則電機的正常工作電壓為153.6V~230.4V，電池單體應(yīng)用范圍為3.2V~4.2V,標(biāo)稱電壓為3.6V,需要串聯(lián)42~64個電池單體，選用56個電池單體進行串聯(lián)，電源系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓為201.6V,系統(tǒng)的電壓范圍為179.2V~235.6V,能夠保證電機能夠在正常電壓范圍內(nèi)工作。(2)電源系統(tǒng)最大輸出功率和電流的確定單個輪轂電機的最大功率為24.5kw，則兩個電機的功率為49kw。假設(shè)電機轉(zhuǎn)換效率以及控制器的效率分別為0.9及0.95,則整個電源系統(tǒng)需求的的最大功率為：Ρb=pperηc考慮到電池系統(tǒng)在最大功率時，電池的電壓下降較大，一般認為取標(biāo)稱電壓的90%來計算，則在電池輸出最大功率時，電池系統(tǒng)的最大的電流為:Ιmax=Ρmax/(0.9?V)=315.8A(2.6)(3)電源系統(tǒng)容量的確定依據(jù)整車設(shè)計基本要求，電動汽車以40km/h狀態(tài)下，行駛距離不低于180km由公式(2.1)可知汽車在40km/h時，平均輸出功率為2.394kw，汽車附件消耗的能源不超過電池組能量的15%，取附件耗能為0.359kw，電機的標(biāo)稱電壓為201.6V,則電源系統(tǒng)的容量為:(2394+359)×180/（40×201.6）=61.5（A?h)）(2.7)考慮到實際電池有效容量低于理論值，本課題取有效容量系數(shù)為0.7,則有實際電池容量不應(yīng)小于91.056A.h。4、電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(1)電池單體的選型本課題采用松下的NCR18650PF作為最基本的動力電池單體，其原因如下:(1)NCR18650PF電池單體最大能夠承受3C倍率放電，在一定程度上能夠滿足峰值功率的需求，電池容量達到2700mA.h,質(zhì)量較小，具有較高的比能量。(2)18650電池為圓柱型電池，電池具有較大的比表面積，在充放電過程產(chǎn)生的大量熱量可以快速耗散掉，降低電池單體的工作溫度。(3)18650型號鋰離子電池產(chǎn)量大，在電動自行車動力電池領(lǐng)域有一定的應(yīng)用，可靠性得到驗證，并且配套的電池生產(chǎn)企業(yè)較多,可降低電動汽車動力電池模塊產(chǎn)品化的成本，并且使用過程中也不存在電池單體的維護問題。NCR18650PF鋰離子電池單體參數(shù)如表2.2所示項目規(guī)格項目規(guī)格電池型號NCR18650PF持續(xù)恒流放電最大電流10A正極材料鎳酸鋰（LiNiO2）氧化鎳鋰開路內(nèi)阻值小于35mΩ標(biāo)稱電壓306V質(zhì)量小于47.5g標(biāo)稱容量2700mA·h充電溫度范圍10~45℃放電終止電壓2.5V放電溫度范圍20~60℃充電電流1.37A/0.5C直徑18mm充電電壓4.20±0.03V高度65mm表2.2NCR18650PF鋰離子電池單體參數(shù)【10】(2)電源系統(tǒng)參數(shù)匹配動力電池參數(shù)的匹配必須滿足最大功率、電壓、最大電流以及行駛里程的要求【11】,電池單體的標(biāo)稱電壓為3.6V。假設(shè)電池系統(tǒng)需要m個電池串聯(lián)，n個電池并聯(lián)則有:m×3.6V≥201.6V(2.8)n×2.75A≥91.056A(2.9)則有m≥56，取m=56，n≥33，取n=36。則整個電池系統(tǒng)是由電池單體36并56串構(gòu)成。動力電池系統(tǒng)參數(shù)匹配如表2.3所示。表2.3動力電池系統(tǒng)參數(shù)匹配電池參數(shù)參數(shù)值單個電池電壓/V3.6電池數(shù)目/個2106電池系統(tǒng)總電壓/V201.6電池系統(tǒng)總電容/（A）99整個電源系統(tǒng)串并聯(lián)2016個電池單體，如果設(shè)計一個電池包的話，電池包單個尺寸和質(zhì)量較大，不利于整體的裝配，所以需要采用多個電池包的設(shè)計方案，本課題采用4個小的電池包，為了加工和維修方便，4個電池包尺寸大小規(guī)格一致，每一個電池包串并聯(lián)電池的數(shù)量為504個，標(biāo)稱電壓為100.8V,標(biāo)稱容量為49.5A.h.本課題設(shè)計的電池系統(tǒng)的組成如圖2.1所示。圖2.1動力電池系統(tǒng)組成圖18650電池單體18650電池單體18并2并28串2串標(biāo)稱電壓：201.6V標(biāo)稱電容：99Ah標(biāo)稱電壓：100.8V標(biāo)稱容量：49.5Ah標(biāo)稱電壓：201.6V標(biāo)稱電容：99Ah標(biāo)稱電壓：100.8V標(biāo)稱容量：49.5Ah標(biāo)稱電壓：3.6V標(biāo)稱電容：2700mA2.2.2電池包框架設(shè)計大容量的電池單體工藝復(fù)雜，制造成本及安全性都有很大問題，所以電源系統(tǒng)尤其是汽車的電池系統(tǒng)需要通過小容量的電芯并聯(lián)或者串聯(lián)組合，滿足電動汽車的需求。(1)電池串并聯(lián)方式的選擇電池單體的連接方式影響電池的一致性、可靠性和使用壽命。圖2.2串并模型圖2.3并串模型串并模型和并串模型是常用的兩種串并聯(lián)模型假設(shè)圖中模型的單體的故障的概率是相同的以及單體之間相互獨立，則可以建立以下的的數(shù)學(xué)模型。串并聯(lián)數(shù)學(xué)模型:Rs(t)=1-[1-Ri(t)]m(2.10)并串聯(lián)數(shù)學(xué)模型:Rs(t)={1-[1-Ri(t)]m}(2.11)式中Rs(t)系統(tǒng)的可靠度,R(1,2..,n)表示第i個單元的可靠度,m表示并聯(lián)的電池數(shù)，n表示串聯(lián)的電池數(shù)。完成電池包的設(shè)計，需要504顆電池單體(18并28串或28串18并)。假設(shè)電池單體的可靠性為0.90(實際應(yīng)大于0.90)，則采用不同方式可靠性計算結(jié)果如下:采用先并聯(lián)后串聯(lián)，系統(tǒng)的可靠度:Rs=[1-(1-0.90)18]28=0.999(2.12)采用先串后并的方式，系統(tǒng)的可靠度:RS=1-(1-0.90)28)18=0.775 (2.13)通過上面的計算，可以得到先并聯(lián)后串聯(lián)的方式要好于先串聯(lián)后并聯(lián)的連接方式。并聯(lián)電池模塊單個電池損壞，不會影響其他電池單元的工作，電池模塊的容量會下降。只要合理的設(shè)計，并聯(lián)的電池模塊還會提高電池組的可靠性。王震坡、孫逢春【12】叫等人通過對比兩種串并聯(lián)方式的鋰電池組在BYD6100運行500km靜置10h后，對電池組電壓進行一致性檢測發(fā)現(xiàn)，采用先并后串的連接方式，電池電壓分布較為集中，沒有低電壓的電池出現(xiàn)。先串聯(lián)后并聯(lián)的方式，電池電壓分布區(qū)間較大，如果繼續(xù)使用，將會影響電池電壓的一致性，加快電池的損耗。先并聯(lián)的電池單體可以相互的充放電，對電池的電壓具有一定的均衡作用。鋰電池充電方式是先恒流后恒定電壓的方式，充電過程中每一個電壓值會對應(yīng)一個soc值。鋰離子電池只要出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象，電池就會損壞或完全失效，所以BMS必須監(jiān)測每一個電池單體的電壓。從這個角度考慮，電池包采用先并聯(lián)后串聯(lián)的方式時，電池系統(tǒng)的BMS只需檢測每一個電池模塊的電壓值,從而降低了BMS的設(shè)計要求【12】。(2)電池包的框架設(shè)計通過對比兩種不同的串并聯(lián)方式，先并后串電池組的可靠性、電池電壓的一致性以及BMS計算成本都有較大優(yōu)勢，所以在本課題進行串并聯(lián)設(shè)計時，采用先并后串的方式。電池包的基本框架如圖2.4所示。圖2.4電池包的基本框架電池包電池模塊電池單體電池包電池模塊電池單體18個并聯(lián)28個串聯(lián)標(biāo)稱電壓：100.8V標(biāo)稱容量：49.5Ah標(biāo)稱電壓：3.6V標(biāo)稱電容:2750mA標(biāo)稱電壓：3.6V標(biāo)稱電壓：100.8V標(biāo)稱容量：49.5Ah標(biāo)稱電壓：3.6V標(biāo)稱電容:2750mA標(biāo)稱電壓：3.6V標(biāo)稱電容：49.5mA電池包采用分層模式，每18電池單體并聯(lián)成一個電池模塊，再根據(jù)電池包的電壓的需求，串聯(lián)28個電池模塊。電池模塊的基本參數(shù)如下:U1=U0?n=3.6V×1=3.6V(2.14)C1=C0?m=2.75A?h×18=49.5A?h(2.15)式(2.14),(2.15)中其中C0,C1分別表示電池單體與電池模塊的額定容量，U0,U1分別表示電池單體和電池模塊的額定電壓，n、m分別表示電池單體的串并聯(lián)數(shù)量。電池包的參數(shù)如下:U2=U1?n=3.6V×28=100.8V(2.16)C2=C1?m=49.5A?h(2.17)式(2.16)、(2.17)中U2、C2,分別表示電池包的額定電壓和額定容量，n,m分別表示電池模塊的串并聯(lián)數(shù)量。2.3電池模塊設(shè)計電池模塊是電池包的基本組成單位，電池模塊中包括18個NCR18650PF電池、集流片、電池保持架、導(dǎo)電銅柱以及溫度傳感器等裝置。在設(shè)計電池模塊的過程中，要充分考慮電池模塊的絕緣性和電池模塊的固定。2.3.1NCR18650電池單體的基本結(jié)構(gòu)NCR18650PF電池的基本結(jié)構(gòu)如圖2.5所示，電池為圓柱形卷繞式鋰離子電池，電池單體主要由保護元件、正極、負極以及電池外殼等部分組成。保護元件一般為一種斷開裝置，依靠電池內(nèi)部溫度或壓力動作。電池正極是有鋁箔涂敷正極活性物質(zhì)構(gòu)成，介極是由銅箔涂敷碳類活性物質(zhì)，電池內(nèi)部核心區(qū)域的參數(shù)參照電池手冊。電池外殼一般為不銹鋼等材料構(gòu)成。圖2.5NCR18650電池單體結(jié)構(gòu)圖2.3.2電池單體布置方式電池模塊的尺寸與電池單元的排布關(guān)系較大，對于圓柱型鋰離子電池，電池排布包括并行排列和錯位排列。圖2.6表示兩種排列的電池模塊面積。錯位排列電池模塊所占體積較小，但是錯位排列固定較為困難，且在睦艷輝等人研究不同排列方式對電池溫度均勻性的影響發(fā)現(xiàn)，錯位排列的電池模塊電池的溫度均勻性較差?；诠潭ê蜕岬目紤]，電池單體采用并行排列的方式。圖2.6圓柱型電池兩種排列方式的對比2.3.3集流片以及導(dǎo)電銅極柱的設(shè)計(1)集流片的設(shè)計集流片主要用于電池模塊的載流量，設(shè)計時應(yīng)該滿足以49.5A持續(xù)的導(dǎo)流。目前比較常見的導(dǎo)流金屬是鍍鎳鋼和鍍鎳銅。金屬銅具有良好的導(dǎo)電性和較低的電阻率，所以本課題選擇銅片作為集流片。 點焊機焊接極柱與同材質(zhì)的銅片焊接時,容易發(fā)生粘滯現(xiàn)象,造成焊接極柱的損耗,所以在集流片與電池點焊處設(shè)置0.2mm厚度鎳，這樣不僅保證集流片的載流量的要求而且具有較好的焊接工藝。銅片上端為9mm的安裝孔，主要和導(dǎo)電極柱安裝在--起。銅片還設(shè)計電壓檢測點。在點焊的位置設(shè)置工藝槽，保證在焊接過程中消除熱脹冷縮造成焊接應(yīng)力，集流片銅片的厚度為0.3mm寬度為50mm。集流片截面的面積:AZONG=50mm2取銅片最大安全電流為7A/mm2，則可以通過的最大電流為105A。電池模塊以1C倍率放電時，電流為49.5A，銅片滿足使用要求。(2)導(dǎo)電銅極柱的設(shè)計電池模塊的導(dǎo)電銅柱作為電池模塊的輸出端子，設(shè)計過程中主要考慮銅柱的載流量。電池模塊容量為49.5Ah?？紤]汽車運行過程中，電池系統(tǒng)以1C倍率放電，則電池包的額定電流為49.5A。導(dǎo)電極柱如圖2.7所示，設(shè)計的導(dǎo)電極柱最小直徑9mm，中間為5.2mm的通孔。圖2.7導(dǎo)電極柱銅的最小截面積:S=(R2-r2)=42.38mm2（2.18）銅的導(dǎo)電能力通常按照溫升作為依據(jù)，銅的載流量計算公式[13]:Ιcu=101.7St-1/2(2.19)其中，Ιcu?常溫下銅的載流量;S?銅的導(dǎo)流面積;t?電流持續(xù)放電時，t=3600s，間歇放電時t=30s，啟動放電時t=10s。則導(dǎo)電銅柱的可承受電流如表2.4所示：表2.4導(dǎo)電銅柱可承受電流導(dǎo)電狀態(tài)持續(xù)間歇啟動可承受電流71.7825A786.9A1362.96A設(shè)計的要求電池包在1C倍率下持續(xù)放電，電池系統(tǒng)放電電流為49.5A。電池包在啟動和加速過程中，電流不超過148.5A，導(dǎo)電銅極柱可以71.78A持續(xù)放電，啟動電流達到1362.96A，設(shè)計滿足要求。2.3.4電池模塊比能量計算比能量是電池系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，根據(jù)設(shè)計的需求，電池包的比能量應(yīng)大于95wh/kg，在巧計電池單元時，電池單元不僅滿足一定強度的要求，還需要滿足一定的比能量的要求。電池模塊各部分的質(zhì)量如表2.5所示：表2.5電池模塊各部分質(zhì)量名稱材料單個質(zhì)量/g數(shù)量/個總質(zhì)量上基座ABS17.251117.521下基座ABS16.042116.042側(cè)面端蓋ABS28.408256.816導(dǎo)電極柱銅3.44526.89集流片銅12.505225.01保持架ABS17.527235.054螺母等鋼0.7521.5傳感器固定裝置銅4.2714.27NCR18650PF47.518855電池模塊的總質(zhì)量:Μ單元=i=1nΜ式（2.20）中為電池模塊的總質(zhì)量，Ｍi為電池模塊各部分的質(zhì)量。電池模塊是有1８個電池單體并聯(lián)而成，則電池模塊的總能量為:?單元=m?V?C=18×3.6V×2.75A?h=178.2W?h(2.21)式（2.21）中單元表示電池模塊的中能量，ｍ表示并連的電池單體的數(shù)量，V和C分別表示電池單體的電壓和容量。電池模塊的比能量:ΕM=?單元M單元=178.2W?h式中怎ΕM表示電池模塊的比能量。電池模塊的比能量達171.87W，滿足設(shè)計的基本要求。2.3.5電池模塊的加工工藝（1）電芯的一致性檢驗及電芯的點焊工藝電池單體發(fā)生過充或者過放時，均會引起電池容量的衰減，這樣就會造成電池使用壽命的縮減【14】。當(dāng)多個電池電池單體組裝成電池模塊時，由于電池單體之間性能的差異，電池模塊內(nèi)部的電池單體發(fā)生過充和過放可能性較大，這樣某一個電池單體衰減會加快。同時，當(dāng)某一個電池單體損壞時，電池模塊中其他單體的衰減也會加劇，最終引起整個電池模塊失效。所以，在進行電池電焊前，需要對電池的一致性進行檢驗。電池一致性檢驗常包括電壓配組法、容量配組法、電阻配組法以及全程動態(tài)特性配組法【15】。全程動態(tài)特性配組法能夠較好的檢測電池的一致性，但是由于操作較為復(fù)雜，在工程上使用較少。電池內(nèi)阻配組法以及電池電壓配組法，能夠反映電池單體的電壓以及電池內(nèi)阻，這兩個均是電池單體的重要參數(shù)，且工程上較易實現(xiàn)，所以本課題在檢測電池單體一致性時，采用的是空載電壓配組以及電池內(nèi)阻配組相結(jié)合的方法進行檢驗。通過檢測發(fā)現(xiàn)電池單體的內(nèi)阻范圍為21.4mΩ?22.4mΩ,電池最大內(nèi)阻相差4.08%。電壓在3.59V?3.60V。電壓和電阻值差值均小于5%,電池具有較高的一致性。圖2.8表示在加工過程中電池單體篩選。圖2.8電芯一致性檢測儀器集流片和電池之間的焊接選用點焊的方式，電阻點焊是利用電流經(jīng)過焊件時產(chǎn)生的熱量融化焊件。點焊時應(yīng)特別注意焊接溫度過高損壞電池內(nèi)部的零件以及灼傷電池單體的外殼。在正式焊接電池組之前，要對焊點進行質(zhì)量的檢驗。本課題中首先將一節(jié)18650電池與集流片的樣品進行焊接，焊接后，通過觀察是否有飛濺、表面燒傷、燒穿以及漏焊等現(xiàn)象，判斷焊點質(zhì)量是否合格【16】。圖2.9點焊機本課題在焊接過程中采用的是如圖2.9所示的焊機。電池點焊時，要迅速準(zhǔn)確，防止溫度較高，損壞電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于電池模塊在焊接之前，已經(jīng)完成電池單體和電池保持架之間的裝配，所以不需要重新設(shè)計夾具固定電池單體，大大減少了加工成本。圖2.10表示點焊完成后，電池模塊成品。圖2.10電池模組的實物圖（2）電池模組的裝配圖圖2.11電池模組的裝配圖圖2.11表示電池模塊的裝配圖。電池模塊在裝配時，注意松緊度適中，各部件有一定的強度，抵御電池外部或者內(nèi)部受力，還要防止在振動過程中電池的移動。電池模塊中上基座主要用于固定導(dǎo)電極柱、設(shè)置電壓檢測點，側(cè)面端蓋主要用于保護正負極集流片，并起到一定的絕緣的作用，下基座用來緩沖外接對電池模塊上下的沖擊力的作用，保持架用于支撐整個電池單體，承受一定的力。電池在點焊前，先完成電池單體、保持架、溫度傳感器、上機座以及導(dǎo)電銅柱的裝配，這樣便于在焊接過程中能夠確保集流片的相對位置。焊接完成后，再完成側(cè)面端蓋和下部基座的裝配。2.4電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計2.4.1電池模塊在電池包中的布置動力電池包由很多的電池模塊構(gòu)成，電池模塊合理布局有利于電池包的安全性。在布置電池模塊時，盡量保證電池包中電池模塊的使用情況的一致、相鄰電池模塊電壓差較小以及電池模塊間的安全距離。對于本課題電池模塊布置如圖2.12所示。圖2.12電池模塊布置圖動力電池包總共由28個電池模塊組成，為了便于固定將六個電池模塊固定在一起組成電池組，4排電池組并排排列便可組成電池包。2.4.2電池組固定結(jié)構(gòu)設(shè)計電池組支架如圖2.13所示，電池組固定支架包括，主支架、橫支架、豎支架以及底基座等。電池支架主要用來固定電池模塊。由于汽車車況較為復(fù)雜，不僅要求固定支架具有較高的強度要求，還要求支架具有一定的減震作用。主支架和低基座與電池包箱體通過螺栓連接，應(yīng)具有較高的強度，考慮到減輕電池包的質(zhì)量和加工的簡便，選用鋁作為材料。豎支架直接固定電池模塊，要求具有一定的強度，同時應(yīng)具有一定的彈性，并在連接處設(shè)置3mm的槽孔，用于安放橡膠材料。豎支架的材料選擇POM,又稱之為賽鋼，賽鋼具有很高的機械強度、最高的疲勞強度、良好的電氣性能以及耐反復(fù)沖擊性強等特點。豎支架通過四個螺栓固定在橫支架上，橫支架再與主支架相連接。橫支架為2mm厚的飯金件，具有較高的強度。為了確保良好的絕緣，對橫支架進行噴漆處理。整個結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定、加工方便等特點。圖2.13電池組固定支架2.4.3電池包冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計1.散熱結(jié)構(gòu)的選擇電池包在快速放電過程中會聚集大量的熱量，影響電池性能。所以，電池包應(yīng)因地制宜，合理選擇散熱方式和設(shè)計冷卻結(jié)構(gòu)。電池包的常見的冷卻方式包括空氣冷卻、液冷、相變材料冷卻以及熱管等，各冷卻方式的優(yōu)缺點如表2.6所示。相變材料以及熱管技術(shù)研發(fā)成本較高，液體冷卻結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且增加冷卻回路，一旦液體發(fā)生滲漏，可能造成漏電等安全事故。而風(fēng)冷具有結(jié)構(gòu)簡單，成本較低等特點，結(jié)合本課題的特點，選用強制風(fēng)冷的方式進行散熱。表2.6冷卻方式的對比【17】優(yōu)點缺點空氣冷卻應(yīng)用廣泛；成本較低；結(jié)構(gòu)簡單；并行風(fēng)冷效果好；串行風(fēng)冷不均勻；冷卻效果有限；高電流環(huán)境容易出現(xiàn)熱失控；液體冷卻液體導(dǎo)熱系數(shù),熱容量高；冷卻效果好；散熱較均勻；結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；成本較高；電池包比能量較低；變相材料冷卻相變材料無毒；不易燃,成本低；應(yīng)用方便；冷卻效果好；單獨變相材料導(dǎo)熱率低；散熱材料很多還在試驗中；熱管冷卻散熱效果好；能降低電池的最高溫度；需要與電池良好接觸才有好的冷卻效果；動力電池上的應(yīng)用還在初步階段；常見的通風(fēng)方式有串行風(fēng)冷和并行風(fēng)冷【18】。并行風(fēng)冷能夠保證電池單元溫差較小,但結(jié)構(gòu)相對于串行風(fēng)冷較為復(fù)雜。對于本課題設(shè)計的動力電池包，縱向長度較小，對流強度較大時，電池模塊的溫差較小，所以選用串行風(fēng)冷的方式，圖2.14為電池包風(fēng)冷效果圖。圖2.14電池包風(fēng)冷效果圖電池包左側(cè)為進氣口，右側(cè)箱壁上安裝兩個排風(fēng)扇。氣流通過進氣口，流經(jīng)電池單體之間的縫隙，在經(jīng)過散熱風(fēng)機排出到電池包外。2.5電池包箱體設(shè)計電池包外形尺寸的設(shè)計電池包的外形尺寸應(yīng)該滿足電動汽車的安裝條件【19】，其基本外形因根據(jù)汽車底盤結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，本設(shè)計依照汽車底盤布置的要求設(shè)計為矩形電池包，其基本尺寸如表2.7所示。表2.7電池箱體尺寸項目長度寬度高度尺寸（mm）550546176電池包箱體主要用于保護電池組，所以在設(shè)計電池箱體應(yīng)該具有一定的強度。電池包的箱體主要包括下箱體和上箱蓋。下箱體包括主箱體、電源輸出面板、通信面板以及維護接口面板。電池包的箱體采用2mm厚度的飯金件折彎焊接而成。左側(cè)壁為空氣的進氣口，設(shè)計為百葉窗的形式，起到一定的防塵作用，圖2.15為本課題設(shè)計的電池包箱體結(jié)構(gòu)。圖2.15電池箱體結(jié)構(gòu)圖2、電池絕緣與防塵處理電池箱體的上下箱體均需要進行絕緣和防塵處理，下箱體絕緣處理過程中，下箱體的內(nèi)表面不僅要進行噴涂處理，還應(yīng)該貼上絕緣材料。在防塵處理過程中，進風(fēng)口和排風(fēng)口處安裝一層濾網(wǎng)，起到過濾空氣的作用。2.6電池包比能量的計算電池包的各組成部分質(zhì)量如2.8表所示。表2.8電池包各部分質(zhì)量項目單個質(zhì)量（g）數(shù)量（個）總質(zhì)量電池組7604430416下箱體782117821上箱體238012380排風(fēng)扇3212642低壓電面板2681268電源面板64164其他零部件總質(zhì)量200200電池包總質(zhì)量計算如下：Μp=1i式中Μi表示i部分的質(zhì)量。電池包總能量計算如公式2.24所示?p=n?m?V?C=24×18×3.6V×2.75A?h=4276.8w?h(2.24)式(2.24)中n、m分別表示電池包中電池串并聯(lián)的數(shù)量，V、C分別代表電池的標(biāo)稱電壓與標(biāo)稱容量。電池包的比容量計算如公式（2.25）所示:Εp=?pΜp=式（2.25）中ΕP表示電池包的比能量。通過上面的計算發(fā)現(xiàn)電池包的比能量為102.337W?h/kg,基本滿足鋰離子電池比能量的要求。在設(shè)計過程中，通過對導(dǎo)流件進行導(dǎo)流能力的校核，校核結(jié)果滿著使用要求，并且在加工過程中，結(jié)合部分工藝的要求對設(shè)計進行一定的改進，最終完成電池包的加工。2.7本章小結(jié)本章根據(jù)電動汽車動力電源系統(tǒng)機械設(shè)計的基本要求和原則，完成動力電池包的設(shè)計和制造。首先完成電池系統(tǒng)的整體設(shè)計，對比了不同的串聯(lián)和并聯(lián)方式，從電池的一致性、可靠性以及BMS設(shè)計成本的角度，選擇先并聯(lián)后串聯(lián)的方式，并基于電動汽車電機，選擇18并28串的基本架構(gòu)。完成電池模塊的基本設(shè)計，對集流片以及導(dǎo)電極柱進行大電流校核。并在制作電池模塊時，對電池的一致性進行檢驗，對焊接過程中焊點進行檢查。在電池箱體設(shè)計過程中，對電池箱體進行了良好的絕緣處理，并充分考慮電池組的安裝和固定，合理布置安裝點?？紤]到電池組會聚集大量的熱量，選用合適的散熱風(fēng)扇，對散熱通道進行簡單分析，并在進排氣口位置進行一定的防塵處理。依據(jù)電氣設(shè)計的基本原則，選擇電氣接口、動力總線、以及低壓線等。最后完成電池包比能量為102.337W?h/kg,初步滿足設(shè)計要求。第3章動力電池包有限元型模3.1動力電池包有限模型的建立3.1.1有限元方法的基礎(chǔ)理論隨著現(xiàn)代計算機硬件技術(shù)的高速發(fā)展和新的數(shù)值算法的不斷出現(xiàn),有限元法已成為解決工程技術(shù)領(lǐng)域中大型復(fù)雜問題的重要手段之一【20】。在工程中有限元的應(yīng)用也越來越多，涉及到汽車、航空航天、軍工等各個行業(yè)，從較為簡單的零部件到復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)分析，從材料自身的彈塑性問題到力學(xué)知識問題，其具有以下特點:(1)不管是簡易的一維或者二維的平面單元，有限元軟件中都可以對模型進行簡化處理，使其變成一維、二維或者三維的結(jié)構(gòu)，同時有限元中還可以針對不同界面的連接方式如焊接、機械連接等進行相應(yīng)的模擬，進而對有限元模型進行求解，適用于各種模型。(2)有限元是基于數(shù)學(xué)積分理論，滿足平衡方程，對劃分的單元無需一直的結(jié)構(gòu)形式適用解決各種物理問題。(3)隨著有限元模型的網(wǎng)格劃分單元越來越精細，且位移插值函數(shù)的階次不斷的高，有限元軟件計算的精度越來越好,其計算結(jié)果的可靠性也會越來越好。有限元的基本思想是將若干個連續(xù)的結(jié)構(gòu)體劃分為有限個基本單元。單元之間用自由節(jié)點連接在-起,進而將無限自由度且結(jié)構(gòu)連續(xù)的不可求問題變更為可以求解的有限自由度且結(jié)構(gòu)離散化的問題[21]。在此基礎(chǔ)上，單元內(nèi)部位移的分布規(guī)律會用一個簡單的假設(shè)函數(shù)來近似模擬，又稱選擇位移模式。通過虛功原理和變分原理確定單元節(jié)點的作用力和位移之間的關(guān)系。然后可以通過將所有單元按照節(jié)點位移連續(xù)和作用力平衡原理集總，得到整個系統(tǒng)的平衡方程組。再引進載荷和邊界條件之后,就可以求解出有限元模型中全部節(jié)點的位移和單元應(yīng)力。目前有限元法的求解過程比較簡單，方法很成熟[22]。3.1.2動力電池包三維模型動力電池箱包括電池箱上蓋、下箱體、支架以及電池組單元。圖3.1?圖3.4表示本課題研究的電池箱體的形狀以及裝配關(guān)系。電池箱體側(cè)圍前部包括電源接口面板、通信面板以及維護面板，這些面板承受載荷較小，且對計算影響較小，電池箱體簡化過程中將前側(cè)板簡化成均勻的一塊整板。圖3.1電池包下箱體圖3.2電池包上蓋圖3.3電池包內(nèi)部裝配圖圖3.4電池包裝配效果圖電池箱上蓋通過螺栓與電池下箱體進行密封連接，電池下箱體焊接7個電池支架，均布在電池包兩側(cè)，電池單元與電池組固定架組成電池組，電池箱中共有4組電池組通過螺栓固定在電池下箱體中。3.1.3動力電池包材料及厚度電池箱體是電動汽車的重要部分，在汽車運行過程中要承受各種各樣的載荷，所以在選擇電池箱體材料時，應(yīng)充分考慮以下因素:

1、箱體材料具有良好的成型工藝;

2、箱體材料應(yīng)具有足夠的強度和剛度;

3、箱體材料具有良好的焊接性能以及噴涂性能。綜合考慮生產(chǎn)、減重以及防腐要求，本課題在設(shè)計與制作電池箱過程中選擇材料DC03鋼板制作電池箱的箱體。由于電池包的固定支架應(yīng)該承受較大的載荷,本課題中選擇材料SAPH440作為固定支架的材料。兩種材料的屬性如表3.1所示。表3.1動力電池包材料屬性表牌號強度（MP）泊松比密度（t/mm3）屈服極限（MP）抗拉極限（MP）DCO32.1?1050.287.8?10-9170410SAPH4402.1?1050.287.85?10-9305440在選取電池箱體厚度的時候，主要考慮電池箱體的受力、電池箱體尺寸、電池包重量以及汽車結(jié)構(gòu)的限制等方面，電池箱體各部分的厚度如表3.2所示。表3.2電池箱體各部分的厚度部件下箱體箱體上蓋支架厚度（mm）21.533.2本章小結(jié)在電池組的模型正確基礎(chǔ)之上，建立動力電池包的有限元模型;完成電池包在汽車運行的極限工況下的強度校核，對電池箱體的上下方向進行定頻特性分析時，電池箱體以及電池箱固定支架，均滿足使用時間的要求。第4章該款純電動汽車動力性的仿真與分析4.1ADVISOR軟件仿真步驟4.1.1定義車輛的仿真參數(shù)（1）選擇傳動系統(tǒng)類型ADVISOR提供了兩種方式來定義車輛傳動系統(tǒng)的類型。一種是ADVISOR內(nèi)部已有的電動車的數(shù)據(jù)文件，用戶可以在此基礎(chǔ)上修改;

一種是ADVISOR.內(nèi)部的傳統(tǒng)汽車、純電動汽車、混合動力汽車等8種類型的傳動系統(tǒng)作為模板，用戶可以在此基礎(chǔ)上定義自己的傳動系統(tǒng)。另外用戶還可以定義新的傳動系統(tǒng)。（2）設(shè)置部件的仿真參數(shù)ADVISOR設(shè)計了車輛(Vehicle)、發(fā)動機(Fuel

Converter)、能量存儲系統(tǒng)(Energy

Storage

System)和電動機(Motor)等多個部件的仿真模型，每個仿真模型包括多個參數(shù)值,用戶可以在修改這些參數(shù)。部件的參數(shù)值可以在GUI上修改，也可以打開部件對應(yīng)的M文件進行修改。此外，ADVISOR還設(shè)計了自動尺寸(Autosize)功能和比例計算(scale)功能。（3）設(shè)計控制策略ADVISOR提供了并行電動輔助(Parallel

Electrical

Assist)、自適應(yīng)控制策略(Adaptive

ControlStrategy)、模糊邏輯控制策略(Fuzzy

Logic

Control

Strategy)等6種控制策略模板。用戶可以直接使用也可以自己設(shè)計自己的控制策略。4.1.2運行仿真1.選擇仿真工況【23】.ADVISOR提供了道路循環(huán)(Drive

Cycle)、多重循環(huán)(Multiple

Cycle)

和測試過程(TestProcedure)3種仿真工況來仿真車輛的性能。（2）加速性能仿真該功能可以仿真車輛的以下性能:3組從初速度加速到末速度所需要的最短時間;某一時間段內(nèi)車輛行駛的最大距離;行駛某一段距離所需要的最短時間;最大速度和最大加速度。（3）爬坡性能仿真仿真車輛在給定速度下的爬坡性能。（4）計算輔助電器的負荷該功能可以計算車輛上輔助電器的能源消耗。用戶需要定義這些設(shè)備的電流-電壓特性和與道路循環(huán)相關(guān)聯(lián)的使用時間等數(shù)據(jù)。（5）交互式仿真該功能由系統(tǒng)控制(SimulationControls)、車輛控制與顯示(VehicleControlsand

Display)和仿真輸出(Simulation

Outputs)三部分組成，它支持實時輸入道路循環(huán)和動態(tài)顯示每個仿真計算步長的結(jié)果。仿真輸出部分在動態(tài)顯示車輛的運動圖像的同時，還在各種部件的特性曲線圖中顯示當(dāng)前工作點的位置。2.分析仿真結(jié)果【24】【25】（1）仿真參數(shù)圖(Parametric

Results

Figure)。

顯示部件參數(shù)值隨仿真時間的變化情況。（2）仿真報告(Results

Figure)。

包括行駛距離、最大速度、最大加速度和爬坡能力。（3）能源消耗圖(Energy

Use

Figure)。顯示了各個部件在做功模式(Power

Mode)和能量再生模式(Regen

Mode)下的輸入能量、輸出能量、損失能量和效率。（4）比較仿真(Compare

Simulations)。

最大可以同時打開8個仿真結(jié)果和測試數(shù)據(jù)，并顯示在同一幅坐標(biāo)圖上。（5）重放(Replay)。在GUI上動態(tài)顯示仿真結(jié)果，其界面與交互式仿真的GUI相同。4.1.3該款純電動汽車性能仿真研究1.選擇仿真工況在車輛部件數(shù)據(jù)修改完成以后，進入ADVISOR2002的第二個GUI界面一車輛仿真設(shè)置界面，在這個界面中選擇的循環(huán)工況為美國環(huán)境保護署EPA制訂的城市道路循環(huán)UDDS(UrbanDynamometerDrivingSchedule)作為道路循環(huán),對該純電動轎車進行仿真，其參數(shù)及模擬的電動汽車數(shù)據(jù)如下:表4.1道路循環(huán)參數(shù)及模擬的電動汽車數(shù)據(jù)道路循環(huán)工況參數(shù)模擬的電動汽車數(shù)據(jù)循環(huán)時間1369(s)總長3650(mm)行駛路程11.99(km)總寬1600(mm)最高車速91.25（km/h）總高1670(mm)平均車速31.51(km/h)整車裝備質(zhì)量1000(kg)最大加速度1.48(m/s2)最大裝載質(zhì)量1500（kg）最大減速度-1.48(m/s2）最終減速度4.905（m/s2）空載時間259（s）軸距2512（mm）停車次數(shù)17(n)迎風(fēng)面積1.9（m2）2.動力性能仿真結(jié)果及分析UDDS工況的車速要求體現(xiàn)了電動汽車行駛條件的特征，常用于載客車輛的評測。本文在UDDS工況下對純電動汽車的動力性和經(jīng)濟性進行了仿真分析，來檢驗動力參數(shù)匹配，并根據(jù)仿真結(jié)果對動力系統(tǒng)參數(shù)進行修正。由表4-2仿真結(jié)果可見，除了最高車速略低于工況要求外，其它動力性能得到了較好的滿足。而最高車速對于行駛于城市道路的轎車來說并沒有太大的影響。該電動汽車的動力性能得到了較好的滿足。表4.2EV的電池仿真結(jié)果最大加速度2.9m/s2最高車速144km/h最大爬坡度26%0-50km/h加速時間5.6s通過仿真分析，得出提高電動汽車動力性能的方法。在城市工況中，電動汽車的續(xù)駛里程與車速有關(guān)，因為蓄電池的放電電流隨著車速的增大而增大，且放電電流的增加幅度高于車速增加的幅度，故以中低速行駛可以有效的提高電動車輛的續(xù)駛里程。此外，在行駛過程中使車輛部分動能轉(zhuǎn)化為電能并反充到蓄電池中，從而增加蓄電池可利用的電能，使電池維持較高的SOC值，充分挖掘蓄電池的潛力，減少電池的能量損失，也可以提高放電容量。增加動力傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的效率也能有效的提高電動汽車的動力性能。提高汽車行駛效率主要是通過改善結(jié)構(gòu)來減少汽車在行駛過程中的自身消耗，可以通過以下途徑來實現(xiàn):(1)

減少行駛阻力通過改進車身結(jié)構(gòu)來減少空氣阻力，從而降低風(fēng)阻系數(shù)。通過改進輪胎結(jié)構(gòu)，從而減少滾動阻力。(2)底盤輕量化采用新型輕質(zhì)材料，通過可靠性設(shè)計技術(shù)使整車輕量化，降低整車重量，使各總成部件、附件緊湊。(3)提高驅(qū)動效