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纯电动汽车动力电池模块开发和设计

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 纯电动汽车动力电池发展现状介绍

1.2.1 国内外纯电动汽车发展现状

1.2.2 锂离子动力电池发展现状

1.2.3 锂离子电池热管理发展现状

1.2.4 纯电动汽车电池管理系统发展现状

1.3 本课题研究内容

1.3.1 电池单体NCR18650PF锂离子电池特性研究

1.3.2 纯电动汽车动力电池机械结构设计

1.3.3 纯电动汽车动力电池单元热分析

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

第二章 电池单体NCR18650PF锂离子电池特性研究

2.1 电池单体选型

2.2 电池单体特性实验平台搭建

2.2.1 10V10A电池检测系统

2.2.2 高低温试验箱

2.2.3 温度测试传感器

2.2.4 实验设备连接

2.3 电池单体充电特性研究

2.3.1 充电特性实验步骤

2.3.2 不同充电倍率下,电池单体表面温度变化情况

2.3.3 不同充电倍率下,电池单体充电容量随时问的变化关系

2.4 电池单体恒流放电特性研究

2.4.1 放电特性实验步骤

2.4.2 不同放电倍率下,电池单体表面温度变化情况

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

2.5 电池单体放电容量与开路电压关系研究

2.5.1 放电容量与开路电压关系实验步骤

2.5.2 放电容量与开路电压实验结果分析

2.6 常沮下电池单体内阻特性研究

2.6.1 内阻特性实验步骤和分析方法

2.6.2 25℃室温下电池单体放电内阻分析

2.6.3 25℃室温下电池单体充电内阻分析

2.7 本章小结

第三章 纯电动汽车动力电池机械结构设计

3.1 纯电动汽车动力电池机械结构设计原则

3.2 电池单体串并联设计

3.2.1 电池单体的串并联可靠性分析

3.2.2 电池模块串并联架构设计

3.3 电池单元结构设计

3.3.1 电池单体排列方式

3.3.2 电池单体之间的导电连接

3.3.3 电池单元的加工工艺

3.3.4 电池单元的外围结构设计

3.3.5 电池单元固定保持架

3.4 电池模块结构设计

3.4.1 电池模块中电池单元布置

3.4.2 电池砖结构设计

3.4.3 电池模块设计

3.5 本章总结

第四章 纯电动汽车动力电池单元热分析

4.1 纯电动汽车动力电池热分析基础

4.1.1 纯电动汽车动力电池热分析概述

4.1.2 热模型分析软件基础

4.1.3 热模型分析传热学基础

4.2 NCR18650PF电池单体热模型分析

4.2.1 电池单体生热模型建立

4.2.2 电池单体三维模型建立

4.2.3 电池单体热模型仿真

4.3 电池单元热模型分析

4.3.1 电池单元三维几何模型简化和网格划分

4.3.2 电池单元热模型仿真结果分析

4.4 本章小结

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

5.1 电池管理系统架构设计

5.1.1 电池管理系统功能

5.1.2 典型电池管理系统硬件解决方案

5.2 电池单元监测和保护模块架构设计

5.2.1 重要芯片的选型

5.2.2 架构设计方案

5.3 电池单元监测和保护模块电路设计

5.3.1 电池单元电压监测

5.3.2 电池单元温度监测

5.3.3 电池模块电压测量

5.3.4 电池模块电流测量

5.3.5 电池单元故障报警

5.3.6 电池单元均衡

5.3.7 电池管理系统通信设计

5.4 电池单元监测和保护模块PCB板设计

5.4.1 PCB板设计原则

5.4.2 监测和保护模块PCB板制作

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

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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。

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