纯电动汽车动力电池模块开发和设计

【摘要】：本课题主要针对纯电动汽车动力电池模块设计进行研究,选用NCR18650PF锂离子电芯作为电池单体,设计从电池单体、电池单元到电池模块多层次的电池系统架构,并基于此架构进行了包括电池单体特性实验、电池单元和电池模块机械结构设计、电池单体和电池单元热分析以及电池单元状态监测和保护模块设计等方面研究。所完成的工作主要包括以下几个方面：(1)锂离子电池单体特性研究：对所选电池单体进行恒流恒压充电特性、恒流放电特性、放电容量与开路电压关系特性、常温下内阻特性等方面实验和研究,并将研究结果和方法指导电池单元以及电池模块的特性分析。(2)动力电池机械结构设计：根据电动汽车电机参数设计电池模块架构,18个电池单体并联形成电池单元,24个电池单元串联形成电池模块。对电池单元和电池模块分别进行了机械结构设计,电池模块设计时充分考虑模块内部电池单元之间的连接、固定、绝缘,并在电池模块内部采用风冷散热,降低动力电池工作温度,最终设计完成的电池模块比能量为105.68W·h/Kg。(3)电池单体和电池单元热分析：首先建立了NCR18650PF锂离子电池单体内芯分层和不分层三维模型,对单体内芯不分层模型进行恒流放电热模型仿真,单体表面温升仿真结果与实验结果基本一致。对简化后电池单元进行0.5C和1C倍率恒流放电热模型仿真,在正常对流换热系数时,两种倍率下电池单元内部最高温升分别为9.27℃和20.45℃。增加强制风冷后,电池单元1C倍率恒流放电最高温升仿真结果降低了4℃。(4)电池单元状态监测和保护模块设计：设计了电池管理系统硬件解决方案,并分为电池单元监测和保护模块、主控模块两部分。本课题重点对其中的电池单元监测和保护模块进行设计,采取主监测电路和次级监测电路相结合的模块架构,主监测电路实现电池单元状态数据输入和均衡信号输出,次级监测电路主要实现电池单元异常状态的诊断和报警。 【关键词】：锂离子电池 电池单体 电池单元 电池模块 电池特性 机械结构 热分析 状态监测 电池保护
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 引言9
• 1.2 纯电动汽车动力电池发展现状介绍9-13
• 1.2.1 国内外纯电动汽车发展现状9-10
• 1.2.2 锂离子动力电池发展现状10-11
• 1.2.3 锂离子电池热管理发展现状11-12
• 1.2.4 纯电动汽车电池管理系统发展现状12-13
• 1.3 本课题研究内容13-15
• 1.3.1 电池单体NCR18650PF锂离子电池特性研究13
• 1.3.2 纯电动汽车动力电池机械结构设计13-14
• 1.3.3 纯电动汽车动力电池单元热分析14
• 1.3.4 纯电动汽车动力电池单元状态监测和保护模块设计14-15
• 第二章 电池单体NCR18650PF锂离子电池特性研究15-39
• 2.1 电池单体选型15-17
• 2.2 电池单体特性实验平台搭建17-19
• 2.2.1 10V10A电池检测系统17-18
• 2.2.2 高低温试验箱18-19
• 2.2.3 温度测试传感器19
• 2.2.4 实验设备连接19
• 2.3 电池单体充电特性研究19-23
• 2.3.1 充电特性实验步骤20-21
• 2.3.2 不同充电倍率下,电池单体表面温度变化情况21-22
• 2.3.3 不同充电倍率下,电池单体充电容量随时间的变化关系22-23
• 2.4 电池单体恒流放电特性研究23-28
• 2.4.1 放电特性实验步骤24
• 2.4.2 不同放电倍率下,电池单体表面温度变化情况24-26
• 2.4.3 不同放电倍率下,电池单体放电容量与工作电压之间的关系26-28
• 2.5 电池单体放电容量与开路电压关系研究28-32
• 2.5.1 放电容量与开路电压关系实验步骤29
• 2.5.2 放电容量与开路电压实验结果分析29-32
• 2.6 常温下电池单体内阻特性研究32-38
• 2.6.1 内阻特性实验步骤和分析方法33-34
• 2.6.2 25℃室温下电池单体放电内阻分析34-36
• 2.6.3 25℃室温下电池单体充电内阻分析36-38
• 2.7 本章小结38-39
• 第三章 纯电动汽车动力电池机械结构设计39-59
• 3.1 纯电动汽车动力电池机械结构设计原则39
• 3.2 电池单体串并联设计39-42
• 3.2.1 电池单体的串并联可靠性分析40-42
• 3.2.2 电池模块串并联架构设计42
• 3.3 电池单元结构设计42-52
• 3.3.1 电池单体排列方式42-43
• 3.3.2 电池单体之间的导电连接43-45
• 3.3.3 电池单元的加工工艺45-47
• 3.3.4 电池单元的外围结构设计47
• 3.3.5 电池单元固定保持架47-52
• 3.4 电池模块结构设计52-57
• 3.4.1 电池模块中电池单元布置52
• 3.4.2 电池砖结构设计52-55
• 3.4.3 电池模块设计55-57
• 3.5 本章总结57-59
• 第四章 纯电动汽车动力电池单元热分析59-79
• 4.1 纯电动汽车动力电池热分析基础59-61
• 4.1.1 纯电动汽车动力电池热分析概述59
• 4.1.2 热模型分析软件基础59-60
• 4.1.3 热模型分析传热学基础60-61
• 4.2 NCR18650PF电池单体热模型分析61-71
• 4.2.1 电池单体生热模型建立62-63
• 4.2.2 电池单体三维模型建立63-67
• 4.2.3 电池单体热模型仿真67-71
• 4.3 电池单元热模型分析71-77
• 4.3.1 电池单元三维几何模型简化和网格划分71-73
• 4.3.2 电池单元热模型仿真结果分析73-77
• 4.4 本章小结77-79
• 第五章 纯电动汽车动力电池单元状态监测和保护模块设计79-101
• 5.1 电池管理系统架构设计79-82
• 5.1.1 电池管理系统功能79-81
• 5.1.2 典型电池管理系统硬件解决方案81-82
• 5.2 电池单元监测和保护模块架构设计82-86
• 5.2.1 重要芯片的选型82-85
• 5.2.2 架构设计方案85-86
• 5.3 电池单元监测和保护模块电路设计86-97
• 5.3.1 电池单元电压监测87-88
• 5.3.2 电池单元温度监测88-89
• 5.3.3 电池模块电压测量89
• 5.3.4 电池模块电流测量89-91
• 5.3.5 电池单元故障报警91-93
• 5.3.6 电池单元均衡93-94
• 5.3.7 电池管理系统通信设计94-97
• 5.4 电池单元监测和保护模块PCB板设计97-100
• 5.4.1 PCB板设计原则97-98
• 5.4.2 监测和保护模块PCB板制作98-100
• 5.5 本章小结100-101
• 第六章 总结与展望101-103
• 6.1 总结101-102
• 6.2 展望102-103
• 致谢103-105
• 参考文献105-107
• 附录107-111

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