CN104600381A - 一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法 - Google Patents

一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法，根据电动汽车的基本参数确定电池数量，设计初步电池组单体布置结构；然后采用Matlab/Simulink软件搭建电动汽车仿真模型，仿真电动汽车在不同循环工况和不同放电倍率下的运行情况并获取锂电池的充放电数据，采用Fluent软件对电池组单体在不同放电倍率下和不同循环工况下进行仿真，以获取电池组单体的温度场分布，并分析对比电池组单体的温度值对电池组单体结构进行修改，得到最优的电池组单体结构。本发明的有益效果在于：对电池组单体相应的温度值的不同，对电池组单体的结构进行改进，从而改善在充放电过程中各电池单体温度分布不均匀的现象，提高电池组的电化学性能和使用循环寿命。

Description

一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法。
背景技术
动力电池作为纯电动汽车的唯一动力源，为满足车辆的正常运行应具有较大的输出功率，因此需要将多个单体电池串并联成组使用。受到纯电动汽车的空间限制，电池组中的单体电池是密集排列的，所以电池在充放电过程中产生的大量的热很容易在电池组内部堆积。如果在绝热或高温情况下散热不充分的条件中运行，电池组的温度将会明显升高，影响电池组的循环寿命和使用安全性。
传统电池组模型散热结构单一，将使各单体电池之间出现很大的温度差异，导致电池组的生热温度场分布不均匀，最终可能使电池组的电化学性能严重降低，同时各单体电池温度的差异性也会导致各动力电池充放电的容量出现差异，最终使电池组的使用循环寿命减少。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法，改善在充放电过程中各电池单体温度分布不均匀的现象，提高电池组的电化学性能和使用循环寿命。
本发明解决技术问题所采用的方案是一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过电动汽车的基本参数确定电池组单体的数量，设计初步电池组单体布置结构，并将初步电池组单体布置结构作为电池组单体布置结构；
步骤S2：根据电池组单体布置结构，采用Gambit软件建立的电池组单体布置结构几何模型；
    步骤S3：采用Matlab/Simulink软件建立电动汽车仿真模型，获取电池组单体在不同放电倍率下和不同循环工况下的电池充放电数据；
    步骤S4：采用Fluent软件对电池组单体在不同放电倍率下和不同循环工况下进行仿真，以获取电池组单体的温度场分布，并分析对比电池组单体的温度值；
步骤S5：判断电池组单体温度分布是否均匀，若是，则将该电池组单体布置结构作为最优电池组单体布置结构，否则，根据电池组单体对应的温度值对初步电池组单体布置结构进行改进，并将改进电池组单体布置结构作为电池组单体布置结构，转到所述步骤S2；
进一步的，所述步骤S1中 基本参数为电源系统所需电压。
进一步的，所述步骤S4中还包括以下步骤：
步骤S41：将步骤S2中电池组单体布置结构几何模型输入至Fluent软件中，并设置电池组单体的参数；
步骤S42：将步骤S3中获取的电池充放电数据输入至Fluent软件中；
步骤S43：采用Fluent软件分别获取电池组单体的连续性方程、动量方程、能力方程、湍流能量方程和湍流耗散方程。
进一步的，在所述步骤S43中的连续性方程、动量方程、能力方程、湍流能量方程和湍流耗散方程的差分方程均为一阶迎风格式。
    进一步的，在所述步骤S4中，分别在自然风冷、强制风冷或水冷条件下对电池组单体进行仿真。
进一步的，在所述步骤S3中的电池充放电数据为电动汽车爬坡、加速和最高车速工况下获取的。
进一步的，在步骤S2中的几何模型为三维模型。
与现有技术相比，本发明的提供的一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法，首先根据电动汽车的基本参数确定电池数量，设计初步电池组单体布置结构；然后采用Matlab/Simulink软件搭建电动汽车仿真模型，用于仿真电动汽车在不同工况和不同放电倍率下的运行情况并获取锂电池的充放电数据，其中主要获取汽车爬坡和加速试验时的电池充放电数据；采用Fluent软件对电池组单体在不同放电倍率下和不同工况下进行仿真，以获取电池组单体的温度场分布，并分析对比电池组单体的温度值。本发明的有益效果在于：对电池组单体相应的温度值的不同，对电池组单体的结构进行改进，从而改善在充放电过程中各电池单体温度分布不均匀的现象，提高电池组的电化学性能和使用循环寿命。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本发明实施例的流程图；
图2为本发明实施例的几何模型；
图3为本发明实施例的温度场分布图；
图4为本发明实施例的改进电池组单体布置结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1～3所示，本实施例提供一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法，包括以下步骤：
步骤S1：通过电动汽车的基本参数确定电池组单体的数量，设计初步电池组单体布置结构，并将初步电池组单体布置结构作为电池组单体布置结构；
步骤S2：根据电池组单体布置结构，采用Gambit软件建立的电池组单体布置结构几何模型；
   步骤S3：采用Matlab/Simulink软件建立电动汽车仿真模型，获取电池组单体在不同放电倍率下和不同循环工况下的电池充放电数据；
   步骤S4：采用Fluent软件对电池组单体在不同放电倍率下和不同循环工况下进行仿真，以获取电池组单体的温度场分布，并分析对比电池组单体的温度值；
步骤S5：判断电池组单体温度分布是否均匀，若是，则将该电池组单体布置结构作为最优电池组单体布置结构，否则，根据电池组单体对应的温度值对初步电池组单体布置结构进行改进，并将改进电池组单体布置结构作为电池组单体布置结构，转到所述步骤S2。
从上述可知，本发明采用Gambit软件建立电池组单体布置结构的几何模型，然后对几何模型进行几何划分的网格如图1所示，Gambit输出的网格文件（.msh）读入Fluent软件中，并设置边界条件，包括锂电池的产热速率、各零部件的热物理参数和与外部的对流换热系数。然后利用 Fluent 求解连续性方程，动量方程，能量方程，湍流能量方程和湍流耗散方程，获取电池组单体温度分布图。根据分析温度分布图中电池组单体的对应温度值，分析影响电池组单体散热的因素，从而对电池组单体布置结构进行不断的改进，最终得到最优电池组单体布置结构。
本发明的有益效果在于：对电池组单体相应的温度值的不同，对电池组单体的结构进行改进，从而改善在充放电过程中各电池单体温度分布不均匀的现象，提高电池组的电化学性能和使用循环寿命。将得到的最优电池组单体结构应用于电动汽车中，在安装过程中，根据安装环境可作进一步的优化改进。
在本实施例中，所述步骤S1中 基本参数为电源系统所需电压。根据整车所选择的电机，确定电源系统的标称电压及电压应用范围。规定用LiFePO4体系的锂离子电池，单体电压正常应用范围一般在2.5~3.6V。电池单体的电压远小于电源系统的电压要求，必须将单体串联成电池组使用。电源系统标称电压为384V，则选用120个电池串联的电池系统。根据实际情况可分为12个电池组进行均分，每个电池组包括10节电池串联组成。
在本实施例中，所述步骤S4中还包括以下步骤：
步骤S41：将步骤S2中电池组单体布置结构几何模型输入至Fluent软件中，并设置电池组单体的参数。电池组单体的参数为锂电池的产热速率、各零部件的热物理参数和与外部的对流换热系数。
步骤S42：将步骤S3中获取的电池充放电数据输入至Fluent软件中；根据不同的充放电数据可以得到不同的温度分布图。
步骤S43：采用Fluent软件分别获取电池组单体的连续性方程、动量方程、能力方程、湍流能量方程和湍流耗散方程。
在本实施例中，在所述步骤S43中的连续性方程、动量方程、能力方程、湍流能量方程和湍流耗散方程的差分方程均为一阶迎风格式。
在本实施例中，在所述步骤S4中，分别在自然风冷、强制风冷或水冷条件下对电池组单体进行仿真。根据Fluent软件得到在自然风冷、强制风冷或水冷条件下电池组单体的温度场分布图，可以得出不同环境下电池组的散热效果，进而设计相应的通风设施。
在本实施例中，在所述步骤S4中的电池充放电数据为电动汽车爬坡、加速和最高车速工况下获取的。所述的充放电数据为在设定的循环工况下所获取的，其中主要关注电动汽车爬坡、加速以及最高车速行驶时的电池充放电数据。放电倍率可以设置为1C、2C、3C或4C。
在本实施例中，在步骤S2中的几何模型为三维模型。
综上所述，本发明提供的一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法，根据Fluent软件的仿真结果，对结果进行分析，分别讨论不同电流状态下的电池温度特性，寻找温度跟随电流的变化规律以及适宜的工作温度范围，从而发挥出电池的最大性能。另外，根据电池组单体相应的温度值的不同，对电池组单体的结构进行改进，从而改善在充放电过程中各电池单体温度分布不均匀的现象，提高电池组的电化学性能和使用循环寿命。
本发明提供的上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种锂离子电池组单体布置结构的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据电动汽车的基本参数确定电池组单体的数量，设计初步电池组单体布置结构，并将初步电池组单体布置结构作为电池组单体布置结构；
步骤S2：根据电池组单体布置结构，采用Gambit软件建立的电池组单体布置结构几何模型；
步骤S3：采用Matlab/Simulink软件建立电动汽车仿真模型，获取电池组单体在不同放电倍率下和不同循环工况下的电池充放电数据；
步骤S4：采用Fluent软件对电池组单体在不同放电倍率下和不同循环工况下进行仿真，以获取电池组单体的温度场分布，并分析对比电池组单体的温度值；
步骤S5：判断电池组单体温度分布是否均匀，若是，则将该电池组单体布置结构作为最优电池组单体布置结构，否则，根据电池组单体对应的温度值对初步电池组单体布置结构进行改进，并将改进电池组单体布置结构作为电池组单体布置结构，转到所述步骤S2。
2.根据权利要求1所述一种锂离子电池组布置结构的优化方法，其特征在于：所述步骤S1中 基本参数为电源系统所需电压。
3.根据权利要求1所述一种锂离子电池组布置结构的优化方法，其特征在于， 所述步骤S4中还包括以下步骤：
步骤S41：将步骤S2中电池组单体布置结构几何模型输入至Fluent软件中，并设置电池组单体的参数；
步骤S42：将步骤S3中获取的电池充放电数据输入至Fluent软件中；
步骤S43：采用Fluent软件分别获取电池组单体的连续性方程、动量方程、能力方程、湍流能量方程和湍流耗散方程。
4.根据权利要求3所述一种锂离子电池组布置结构的优化方法，其特征在于：在所述步骤S43中的连续性方程、动量方程、能力方程、湍流能量方程和湍流耗散方程的差分方程均为一阶迎风格式。
5.根据权利要求1所述一种锂离子电池组布置结构的优化方法，其特征在于：在所述步骤S4中，分别在自然风冷、强制风冷或水冷条件下对电池组单体进行仿真。
6.根据权利要求1所述一种锂离子电池组布置结构的优化方法，其特征在于：在所述步骤S3中的电池充放电数据为电动汽车爬坡、加速和最高车速工况下获取的。
7.根据权利要求3所述一种锂离子电池组布置结构的优化方法，其特征在于：在步骤S2中的几何模型为三维模型。
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