运动小车锂离子电池组集成设计开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

1．目的及意义

1.1目的及意义

伴随着全球能源日益短缺、环境问题日益严重，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，汽车保有量迅速增加，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^[3]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。

包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。

我国从上世纪八十年代开始研究锂离子电池，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，中国的锂离子电池产业开始飞速发展。在2015年中国车用锂离子电池总需求量高达3520.36万kwh。中国锂离子动力电池发展前景一片光明。

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

图1 电池包结构示意图

T型电池包安装在前排座椅中间和后排座椅下方，有效利用车内空间，但容易因车体后方碰撞导致起火；平板型电池包安装在车体下方，增加了车内空间，提高舒适度，但因其贴近地面，易受到路面情况影响^[11]。

（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^[12]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。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可以在不影响刚度的情况下减轻蓄电池箱的重量。

1.2.3.动力电池热效应研究现状

国内学者对于动力电池热效应与热管理研究主要通过对电池仿真模型进行理论分析。

虞跨海等人^[15]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；外壳材料对锂电池散热具有一定程度的影响；建立的热模型能够较准确地描述锂离子单体电池放电过程热行为。

肖忠良等人^[16]分别从电池热模型、电学特性模型、老化模型等出发，比较了众多仿真模型针对锂离子电池性能的仿真结果，总结不同模型的优势以及存在的薄弱环节，为仿真研究以后的发展趋势提出了如下参考：①从机理出发，研究多物理场相互作用关系；②从模型和算法出发，扩大模型的研究范围，兼顾简化模型和提高精确度；③从电池本身入手，注重电池材料的性能改善以及成组方式和结构优化。仿真模型的建立极大地促进了锂离子电池的热效应研究的进展。

朱志贤^[17]通过锂离子特性试验验证了温度对于电池电压平台、电池容量、内阻、温升的影响，建立锂离子电池三维瞬态传热模型对热效应和散热结构设计进行了深入研究，为锂离子电池组的热管理设计提供了一定的参考价值。

国外学者在电池仿真模型的建立领域也作出了很多贡献。

Feifei Liu等人^[18]提出了一种基于热路法的热管分段热阻模型。分别确定蒸发器和冷凝器的传热管各自的热力参数和工况，集成到电池的热力模型中，进行完整的三维计算流体力学（CFD）模拟。实验结果证明，分段模型比非分段模型精度更高，且获得精确热设计所需的动态热行为的计算误差较小。

Evans J W等人^[19]对电动汽车用锂/聚合物电解质电池的发热和传热进行了数学建模。结果表明，对于低放电率的电池，热管理可能不是一个严重的问题。然而，在高放电率下，电池组厚度超过一定值时，电池温度会显著升高。此外，由于聚合物的导热系数较低，改善冷却条件不是改善大型烟囱系统散热的有效手段。对于所需的工作温度范围和给定的放电率，模型预测可用于设计合适的电池结构和选择合适的冷却方案。

1.2.4 小结

根据上述国内外学者的研究成果可以看出，电动汽车电池包设计过程中重难点集中在电池包结构设计与散热分析。在设计过程中，机械结构既要满足强度要求和尺寸大小要求，还要追求轻量化设计与散热性良好等目标。设计完成后利用软件进行热分析，以满足运动小车正常使用要求。

2. 研究的基本内容与方案

2．设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1设计目标

设计一款满足运动小车技术性能要求的锂离子电池组，要求利用三维建模软件设计出模组结构，并通过ansys对模型进行结构、散热性能仿真分析。

3. 研究计划与安排

毕业设计预备周（2019.12.26-2020.1.10）

确定指导教师人选，对未选好导师的学生进行调剂分配。确定选题志愿、校内搜集资料、消化资料。

第1周（2020.2.24-2.29）

4. 参考文献（12篇以上）

4．阅读的参考文献

[1]田野.中国新能源汽车产业现状及发展对策浅析[j].科技风,2019(17):212.

[2]xiang zhang,xue bai. incentive policies from 2006 to 2016 and new energy vehicle adoption in 2010 ~ 2020 in china[j]. renewable and sustainable energy reviews,2016.