车用动力电池包内部温湿耦合特性分析

汽车动力电池包内部的潮湿和凝露现象是温湿度耦合作用的结果，它直接影响电池性能、加剧电池失效且可能引发安全事故，但相关的研究工作还未得到足够关注，开展电池包内部温湿度耦合特性的分析工作尤为迫切。基于此，研究相应瞬态数值分析方法，求解电池包内部空间动态变化的温湿度分布情况。首先，分析电池包内部空间和外界环境的气体交换、热量传递过程，建立热湿传递的物理模型，并根据流体运动三大基本守恒定律以及温湿度耦合关系，建立对应的热湿传递数学模型；利用恒温恒湿箱和安装防水透气阀的电池包箱体进行热湿传递试验，验证外界环境动态变化的温湿度对电池包内部温湿度的影响以及电池包内部出现凝露和积水现象的条件；建立电池包及其内部空间的多物理场耦合三维模型，对电池包内外的热湿传递与温湿度耦合过程进行瞬态数值模拟，根据仿真计算结果与试验结果的对比验证模型的可靠性；采用真实气候环境数据定义模型中动态变化的电池包外部环境，从时间和空间分布的角度分析电池包内部温湿度的瞬态计算结果。研究结果表明：所提出的瞬态数值分析方法的可行性佳，得到了外界环境以及电池工作状态的动态变化对电池包内温湿分布、电池表面凝露时长的影响规律。     

基于剩余充电电量的锂离子电池组容量快速估计方法

针对传统锂离子电池组容量确定方法存在的效率低、能耗高且只能离线应用等问题,提出一种基于电池剩余充电电量的锂离子电池组容量快速估计方法。首先,基于充电电压曲线一致性原理,以电池组内率先充电至充电截止电压的电池单体电压曲线为基准,通过电压曲线的平移缩放与线性插值计算出各单体电池的剩余充电电量与剩余充电时间,从而实现各单体电池的荷电状态(State of Charge, SOC)在线估计,在此基础上实现电池组容量的快速估计。其次,在电池单体模型的基础上建立电池组的仿真模型,并在全SOC区域上对模型参数进行分段辨识。通过所建立的仿真模型得到电池组的充放电曲线,并对电池组容量进行估计。最后,对4个单体串联而成的电池组进行充电试验。研究结果表明:仿真容量与估计容量误差为1.2%以内,验证了所提出的容量快速估计算法的有效性;利用所提方法估计出电池组容量与试验得到的电池组容量的误差为2.61%;该方法根据电池充电曲线的平移与缩放即可在线估计出电池组容量,可应用于新电池组容量的在线快速估计,能在保证3%估计误差的基础上将检测效率提高到传统方法的2倍以上。     

车用锂离子动力电池组散热特性数值研究

针对车用锂离子动力电池的散热问题,对电池组的结构进行优化设计。建立锂离子动力电池三维模型,利用Fluent进行数值仿真。通过对仿真结果的对比分析得出：电池间距的增大和减小分别使电池组的散热性能提高和降低,且其间距减小时,电池间温度差异明显;发现动力电池组入口风速升高,电池表面空气流速相对提高,电池组换热能力增强,但电池间流场的一致性变差、温差变大。     

基于往复流风冷的动力锂电池热仿真正交分析

随着电动汽车销量的增加,动力电池的热安全问题日益受到关注,电池温度过高会影响电池的性能,严重时会导致热失控的发生。为研究锂电池的放电特性,探究不同因素对电池组往复流风冷散热的影响规律,基于外接UDF的Fluent仿真计算,利用正交试验,分析了入口风速、冷却空气温度、往复流周期三个参数对电池温度分布的影响规律。研究结果表明往复流周期对电池组温度分布均匀性的影响最大,入口风速对电池组最高温度影响最大,而冷却空气温度影响则相对较小。在此基础上,进一步获得了往复流散热性能的最优匹配参数。     

电动汽车电池非线性等效电路模型的研究

服务于电动汽车系统仿真,提出一种非线性等效电路电池模型,模型考虑SOC、温度对电池特性的非线性影响。设计了系统的模型参数辨识实验及数据处理方法,使用S imu link建立了以电流为输入和以功率为输入的镍氢电池组模型。通过1 372 s的FUDS实验验证,两个模型最大电压误差分别为电池组额定电压的1.02%和1.39%,精度满足电动汽车系统仿真要求。     

基于电化学热耦合模型的电动汽车电池模组热特性研究

为研究电池组的排列与布置方式对电池热特性的影响,本文中以18650锂离子电池为研究对象,建立了单体电池的电化学热力学耦合模型。利用模型仿真和实验测量获得了不同放电倍率时的电池表面温度随放电容量的变化关系,实验数据与仿真数据基本吻合,模型准确。基于单体耦合模型,分析了6×5动力电池模组的不同排列与布置方式下的热特性。结果表明:间距太小或太大均会使平均温度增加,本案例电池间距24 mm时平均温度最低;间距越大,温差越小,温度分布均匀性越好;间距一定,交叉排列散热效果优于对齐排列,且空间利用率更高。电池的排列和间距对电池散热有重要影响,锂离子动力电池组设计过程中应充分考虑。     

Implementation of discharging/charging current sensorless state-of-charge estimator reflecting cell-to-cell variations in lithium-ion series battery packs

This paper offers novel insights to the design and implementation of an innovative state-of-charge (SOC) estimator for the lithium-ion (Li-Ion) series battery pack. The most interesting feature of this approach is that it can utilize information from each filtered terminal voltage of the Li-Ion cells connected in series for SOC estimation of the battery pack. Without actual sensing each discharging/charging current (DCC) applied to the Li-Ion cells, it is possible to extract each DCC estimation from the corresponding filtered terminal voltages with an equivalent electrical circuit model (EECM) identification of all Li-Ion cells in the battery pack. There are two advantages to SOC estimation of the battery pack with this approach. First, the proposal can be implemented simply and effectively, reducing the computational steps required for SOC estimation. By reducing computational steps, the proposal is expected to be more cost-effective. Second, the approach guarantees an improved SOC performance, even if the battery pack results in inevitable cell-to-cell variation among Li-Ion cells. Accordingly, there are fewer differences to previously estimated DCCs among Li-Ion cells. Specifically, all values from the estimated DCCs are properly compensated for by simultaneous parameter modification according to each cell’s electrochemical characteristics. Experimental results clearly demonstrate that our DCC sensorless SOC estimator provides robust SOC performance for the battery pack. This approach considered an experimental battery pack (12S1P) connected in series using 2.6 Ah LiCoO2 cells produced by Samsung SDI.     

动力电池包热管理设计与优化分析

针对动力电池包热管理中系统温度不均匀的问题,本文以某款液体循环冷暖一体化热控方式的电池包为研究对象,通过Ansys-fluent对其液冷回路进压降仿真,并优化液冷回路,最后通过实验验证优化前后系统的散热/加热性能,得出流量均匀性越好在液冷和液热时,电池包内电芯间的温差越小,散热以及加热效率更高.为后续热管理设计可将流道...     

增程式电动车动力电池组低温行车预热策略

为了提高动力电池组低温环境下的放电效率,针对增程式电动车低温行车条件,考虑电池组预热过程中单体温度的不一致及单体排布等因素的影响,进行增程式电动车动力电池组低温行车预热策略研究。采用Chrom_17011充放电测试机及高低温恒温箱对26650磷酸铁锂电池单体进行低温试验与AMESim模型仿真对比的方法验证预热模型的精度,分析发动机怠速为电池组进行预热时,水泵转速、串行通风鼓风量、串行通道单体数量及单体与单体之间的间隙对电池包内入、出口单体温差的影响。通过整车仿真,分析行车预热策略与传统CDCS策略在不同环境温度下对等价燃油消耗量的影响。研究结果表明：在单体排布间距固定和水泵转速为800 r·min^-1的条件下,电池包串行通风风量越大,串行通道入、出口单体温差越小,单体预热时间相对较长,且在串行通风风量不小于3 g·s^-1的条件下,能满足电池包串行通道最大温差小于5℃的要求;环境温度在-20℃时,行车预热策略比CDCS策略等价燃油消耗率降低16.25%,纯电动续驶里程增加9.95 km;其影响等价燃油消耗率的因素有制动能量回收量和内阻消耗量,内阻消耗量是影响等价燃油消耗率升高的主要因素。     

基于老化仿真的电动汽车新型双源电池系统全生命周期成本研究

为了降低换电技术的实施难度和成本,提出一种采用"部分换电"思路的电动汽车新型双源电池系统。通过合适的控制策略,在保证动力平稳输出的情况下,调整电机功率以匹配主、副电池包的端电压,实现供电电池包的灵活切换。为探究双源电池系统的老化规律以及验证其在全生命周期成本上的优势,匹配"大主电池包+小副电池包"和"小主电池包+大副电池包"2种双源电池系统方案,设计具有代表性的城市、城郊和高速等行驶场景以及工作日、休息日的出行和充电方案;采用AutoLion-ST软件建立双源电池包和相同总容量的单个大电池包的电化学老化机理模型,嵌入到AVL/Cruise搭建整车仿真平台中进行联合仿真。研究结果表明:虽然所提出的双源电池系统相比单个大电池包在相同工况中的放电倍率和深度更大,导致老化速率略有加快,但由于双源电池系统中主、副电池包的利用率更高,其全寿命里程之和相比单个大电池包方案反而有17%以上的提升;结合电池梯次利用模型和近年来电池价格的统计结果对全生命周期成本进行计算,认为双源电池系统方案在保证换电运营商获得一定盈利空间的情况下,可以降低全生命周期总拥有成本。     

基于相变与液冷耦合的电池热管理系统研究

电池组在高环境温度下以高倍率放电时,电池组温度过高、温差大,极易引发安全问题。笔者针对这一问题设计了一种新的耦合式电池热管理系统。以采用纯石蜡冷却模型作为初始模型,首先探讨不同膨胀石墨质量分数的复合相变材料对于电池组热性能的影响,得出:在30℃的环境温度下,电池组以4C倍率放电时,采用EG质量分数为12%的复合相变材料对电池组进行冷却最优。在最优复合相变材料的基础上引入液冷系统,构建克里格近似模型,采用NSGA-Ⅱ遗传算法对耦合系统寻优,得出的预测结果精度较高误差最大仅为0.21%。利用算法寻优得出的最优解与初始模型相比,电池组最高温度下降5.29℃降幅为11.46%,最大温差下降0.12℃降幅为54.09%。结果表明:相变材料与液体冷却耦合热管理系统对电池组控温效果显著。     

基于决策树的异常电池分类方法

提出了一种基于决策树算法的异常电池精准定位和分类方法，帮助人们在电池维修或更换时能够迅速确定故障单体的位置和类型，从而实施准确的维修更换方法，提高故障处理的效率。搭建电池仿真模型获取异常电池的充放电循环数据；以电压数据为基础，训练用于异常电池分类的决策树算法，使用试验数据和云端实车数据对构建的模型进行验证。验证结果表明，该方法能够准确判断异常电池单体在电池组中的位置和异常类型。在不同验证数据上，该方法的分类准确率高达98%以上，能够有效筛选出动力电池组中的异常电池。该结果说明了提出的决策树算法在动力电池异常分类中的有效性和准确性。     

电动汽车电池功率输入等效电路模型的比较研究

为了选取合适的等效电路电池模型应用于电动汽车系统仿真,提出GNL模型,并与R int、Theven in、PNGV、RC模型进行性能比较。以320单体串联的80A.h镍氢电池组为研究对象,基于同一组复合脉冲试验数据,辨识各模型的参数,进而建立各模型基于Matlab/Simulink的功率输入仿真模型。使用20 kW恒功率放电和FUDS工况试验数据验证,并比较各模型性能。仿真与试验的比较表明,功率输入等效电路电池模型的电压误差为主要误差,电流误差为次要误差,5种模型中PNGV和GNL模型更适用于电动汽车仿真,而GNL模型具有更好的精度。     

混合动力汽车动力电池热管理系统流场特性研究

为改善电池组的温度均匀性,对混合动力汽车电池热管理系统提出了两种局部结构的变动途径,一种是改变通道的宽度,另一种是改变空气进出口处集流板的倾斜角度.利用FLUENT软件对15种结构变动方案的流场进行模拟计算,详细分析了结构变动对流速分布的影响,比较了两种结构变动途径的作用机理.最后,选出流速均匀性相对最好的结构方案,试验验证表明该方案的温差满足设计要求.     

Two-phase evaporative battery thermal management technology for EVs/HEVs

Electric vehicle’s motor draws power from battery to meet its power demand in different road profiles. Battery high discharged currents are causes of warming battery’s cells. The temperature of 40 ºC and above reduces battery life span. The rationale of fuzzy controlled evaporative battery thermal management system (EC-BThMS) development from this study is to control the battery temperature in the range of 20 ~ 40 ºC both in charging/discharging modes. The proposed system has been developed with estimating the total cooling loads and thermal behavior of the battery cells. A fuzzy controlling system has been introduced with the EC-BThMS to control the electro-compressor and the expansion valve based on the response of battery temperature sensors.A battery pack of 8.6 kWh equipped EV has been operated with 60 km/h on 0 % gradient and 40 km/h on 5 % gradient in IIUM campus while 130 km/h on 0 % gradient and 50 km/h on 3.67 % gradient in Malaysia International Formula circuit to study the battery temperature profile and percentage of battery power saving. Comparison has been made on the performance of EC-BThMS with air cooling battery thermal management system (AC-BThMS) by using same vehicle. Result shows that EC-BThMS can save energy 17.69 % more than AC-BThM 1 and 23 % more than AC-BThM 2.     

混合动力汽车镍氢电池组温度场研究

对混合动力汽车现有散热方案的电池组进行了温度场监测实验,分析了电池组温度分布和放电始终温度变化,发现电池组在放电前后温度不均匀性有扩大趋势,并且电池组整体温升较大。在此基础上,建立了电池组温度场理论模型,并进行了电池组温度分布仿真,提出了新的电池组散热方案,最后进行了实验验证。     

锂离子电池可逆与不可逆生热特性研究

以商用圆柱形18650电池为研究对象，利用Bernardi简化生热模型，综合考虑了电池单体在不同温度、不同荷电状态（SOC）下的实际生热情况，通过混合脉冲功率性能放电测试（HPPC）和开路电压测试，拟合得到电池单体生热、直流内阻与SOC、温度的函数关系。结果表明，电池单体的生热与温度、SOC有很大关联，建立的单体生热模型可为动力电池包热管理的模拟和优化提供参考。     

锂离子电池组不一致性及其弥补措施

现有的动力电池技术水平下,电动汽车必须使用多块电池构成的电池组来满足使用要求。由于同一类型、规格的电池在电压、内阻、容量等方面的参数值存在差别,使其在电动汽车上使用时,性能指标往往达不到单体电池的原有水平,严重影响其在电动汽车上的应用。本文对电池组内不一致性产生的原因进行深入分析,并针对生产、配组、使用、维护等过程提出弥补不一致性的措施。     

电动汽车电池管理系统采集模块的设计

以飞思卡尔的8位单片机MC9S08DZ60、凌力特的长串电池组采集芯片LTC6802为核心部件,设计电动汽车用电池管理系统的采集模块,包括硬件和软件设计,实现电芯电压、温度的实时精确采集功能、SPI及CAN通信功能,并验证该模块的性能有效、可靠。     

基于容量修正的安时积分SOC估算方法研究

针对传统安时积分SOC估算法将电池容量视为定值而带来的误差,提出了带容量修正的安时积分法,它通过开路电压法确定电池组SOC初始值,再由电池组充放电试验得到不同倍率、库伦效率、温度等对电池容量的修正因子。仿真与试验结果表明,经改进的安时积分法可有效消除各种误差,估算结果精度较高,可用于SOC的实时估算或作为评价其它SOC估算策略的基准。