本科生毕业设计开题报告
题目：电动汽车动力电池仓结构设计
—电池模块包装设计
学 号
姓 名
指 导 教 师
院 系
专 业
开题报告
《电动汽车动力电池仓结构设计——电池模块结构设计》
选题背景与文献综述
1.选题背景
近年来，我国的汽车行业发展迅速，已成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国。根据国务院发展研究中心估计，2020 年将达到 1.4亿辆，机动车的燃油需求为2.56 亿吨，为当年全国石油总需求的 57%。我国的石油资源短缺，目前石油进口量以每年两位数字的百分比增长， 2010 年进口依存度接近 50%。
新能源汽车的发展方向有多种，但其中之一的氢燃料电池技术不成熟，成本昂贵，是20年之后的技术。另外就主要采用甲醇、乙醇等低成本液体燃料的技术来说，由于大量采用玉米、粮食作为原料，导致全球粮价连续上升，这也不可能成为中国的技术选择。还有一种燃料技术清洁柴油，即含硫量低的柴油(含硫量低于350ppm的柴油)，使用能使动力平均比汽油机节约30％的能源。不过因为国内的柴油品质不佳，频繁的油荒总是从柴油开始，此外柴油得不到国家政策支持。因此大力发展新能源汽车，用电代油，是保证我国能源安全的战略措施。因此大力发展新能源汽车是实现我国能源安全、环境保护以及中国汽车工业实现跨越式、可持续发展的需要。从技术发展成熟程度和中国国情来看，纯电动汽车应是大力推广的发展方向，而混合动力作为大面积充电网络还没建立起来之前的过渡技术。今年中外车厂都先后推出了混和动力和纯电动汽车。
目前电动汽车尚不如内燃机汽车技术完善，尤其是动力电源（电池）的寿命短，使用成本高。电池的储能量小，一次充电后行驶里程不理想，电动车的价格较贵。但从发展的角度看，随着科技的进步，投入相应的人力物力，电动汽车的问题会逐步得到解决。扬长避短，电动汽车会逐渐普及，其价格和使用成本必然会降低。而锂离子电池被称为性能最为优越的可充电电池，号称“终极电池”，受到市场的广泛青睐。随着手机、笔记本电脑、数码相机等的消费和便携式电子产品的持续走强，锂离子电池的市场需求一直保持相当高的增长速度，市场对于锂离子电池的巨大需求也引导锂离子电池行业的继续走强，也使锂离子电池在电动车方面的应用成为可能。
发展锂离子电池我国具有独特优势。除了锂离子电池本身所具备的性能优势外，以锂离子电池作为为混合动力汽车乃至纯电动汽车的储能设备，发展锂电汽车我国具有得天独厚的条件，其一，资源优势。锂电汽车的最主要关键部件是锂离子动力电池和永磁同步电机，锂离子动力电池的主要原材料锂、锰、铁、钒等在我国都是富产资源。而我国更是永磁同步电机中永磁材料——稀土资源的大国，为锂电汽车提供了材料保证。其二，技术优势。我国的小功率锂离子电池早已经产业化，形成了上下游结合的完整产业链，电池产品超过世界市场的三分之一，锂离子动力电池技术已经达到国际先进水平，产业化条件也基本成熟，深圳比亚迪更是锂离子动力电池技术国际上的领先企业，已经实现产业化生产。因此，无论是锂离子电池本身特点，还是我国目前的现状，发展锂离子动力电池都将是我国新能源汽车产业化的主要方向。因此，无论是锂离子电池本身特点，还是我国目前的现状，发展锂离子动力电池都将是我国新能源汽车产业化的主要方向。
锂离子电池虽然具有能量密度大、输出功率高、充放电寿命长、无污染、工作温度范围宽、自放电小等优点，但其在为我们造福的同时也给我们带来了一定的灾难，1995年和1997年，日本发生大规模锂离子电池火灾。世界各地也时常发生锂电池爆炸事故。这说明锂离子电池的广泛应用还存在问题，因此亟待研究和解决。
2.文献综述
锂离子电池是一种 充电电池，它主要依靠锂离子在 正极和 负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个 电极之间往返嵌入和脱嵌：充 电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。其主要优点有:(1)电压高；(2)比能量大；（3）循环寿命长；（4）安全性能好；（5）自放电小；（6）可快速充放电；（7）工作温度范围大。这些优点使其能更好的应用于电动汽车动力电源。然而，它仍有一些不足之处值得注意。如：锂离子电池的容量会慢慢衰退，这与使用次数无关而与温度有关；不耐过充、过放；易发生爆炸，需要多重保护机制；需要保护电路防止过充、过放、过载、过热等。为了解决以上问题，一些中外文献给出了各种可行的办法。
中科大火灾科学国家重点实验室和中国安全生产科学研究院的研究人员发表了《锂离子电池安全性特点及热模型研究》，解释了锂离子电池发生故障和事故的机理及其解决办法。文中指出，锂离子电池体系内部的放热现象是一种由化学反应引发的热现象, 其着火是一种热着火现象。如果锂离子电池体系内的热生成速率大于热散失速率, 则体系内反应物的温度就会不断上升。温度上升的结果, 可造成以下两种极端情况：反应物质的温度达到其着火温度而发生火灾；由于锂离子电池形成的是一个封闭体系, 当体系内部温度上升, 使体系内部的反应速度进一步加快, 温度进一步升高, 使得反应物蒸气压急剧上升的同时, 活性物质的分解、活性物质和电解液的反应都会产生一定量的气体, 其结果, 在缺少安全阀或安全阀失效的情况下, 电池内压便会急剧上升而引起爆炸。所以, 锂离子电池的爆炸是由于反应热蓄积而引起的热爆炸。
西安交通大学机械工程学院、电子科技大学机械电子系以及长安大学工程机械系的各位研究人员发表的《Three-dimensional thermal finite element modeling of lithium-ion battery in thermal abuse application》提出了分析、研究过热问题的方法。文中指出，建立一个三维热有限元模型模拟炉热实验。通过对比模型模拟和实验结果，得出如下结论：（1）三维电池模型的温度分布是非均匀的；（2）该模型能准确的定性以及定量的预测电池的状态，并能准确预测电池是否会热失控；（3）磷酸亚铁锂活性物质比钴酸锂在氧化电势条件下的热稳定性更好；（4）应用高热稳定性的材料同时减缓活性材料的热化学反应是保护锂离子电池不发生热失控的可行的方法；（5）电池内部沿厚度方向温度梯度最大，即热量主要沿宽度及长度方向传导。
《锂离子蓄电池温度场分析》一文指出，用ANSYS软件进行有限元分析的方法及结论。首先建立离子电池模型并对模型划分网格，然后加载并求解，最后后处理，在完成计算后, 可以通过用户图形界面获得求解过程的计算结果, 并对结果进行运算。结果表明, 放电速率和对流换热系数对电池的温度场有着明显的影响。电池的放电速率越快,电池内部的最高温度就越高, 电池温度场的均匀性就越差; 电池表面的对流换热系数越大, 电池内部的最高温度就越低, 电池温度场的均匀性就越差。
《电动汽车电池包热管理系统设计方法》一文强调了设计电池包热管理系统的重要性。电池包作为电动汽车上装载有电池组的主要储能装置，是电动汽车的关键部件，直接影响电动汽车的性能。锂离子动力电池因其优异的功率输出特性和寿命长等优点，目前在电动汽车电池包中得到良好应用。由于车辆上空间有限，电池在工作中产生的大量热量受空间影响而累积，造成各处温度不均匀从而影响电池单体的一致性。因此将降低电池充放电循环效率，影响电池的功率和能量发挥，严重时还将导致热失控，影响系统安全性与可靠性。为了使电池组发挥最佳的性能和寿命，需要优化电池包的结构，设计电池包热管理系统。一个设计良好的热管理系统可以提高EV和HEV电池包的性能和寿命周期，对于电动汽车的成本降低很有意义。一般由于项目时间或顶算等因素可能需要跳过一个或多个步骤，或多执行一个或多个步骤。但是按照合理有序的步骤设计，能够更加有效地设计出合理的热管理系统，减少设计周期，避免不必要的重复工作。
方案选择
1.外形与结构
电芯尺寸：220×67×8.5
电池模块外部尺寸：250×180×50
每个模块中含有10个电芯，每5个电芯为一组并联起来，并联电压为3.2V，两组串联起来形成一个电池模块。因此，每个电池模块的电压为6.4V，注意事项：电池模块不能够立起来，即电池模块的高度不能是220mm，这是考虑到电芯内部的电解液的原因。
对外安装通过电池模块上的四个圆形通孔定位，用四根双头螺柱穿起来，两端用螺母旋紧，从而实现电池模块的固定。而在电能输出端，开有凹槽，方便外部接线板的定位。
为了保证传热性能以及减轻质量,电池模块包装选用铝合金材料。用钣金工艺加工。外壳分为上、下两部分，其定位及安装方式可参考手机后盖的结构。
下壳边缘有一些凹槽，上壳边缘对应有凸缘，两者配合起导向作用。在安装过程中，使上壳沿长度方向滑移。在端部，下壳上设置弹性凸台，上壳上有一个通孔，当上壳滑过时，凸台卡在通孔中，锁死上壳，使上下外壳无法相对滑动。
电池模块内部，使用铸造铝合金框架对电池定位，如上图所示。框架与外壳之间的连接采用铆接方式。而电池的紧固，使用散热胶粘接。因此相邻两块电池对应表面的温度近似相等。
电能输出部分，用塑料块固定铜箔，起到绝缘作用。铜箔与电池之间用导线焊接。
2.温升分析
由《Three-dimensional thermal finite element modeling of lithium-ion battery inthermal abuse application》一文结论，锂离子电池的热量主要沿长度和宽度方向传导。因此在高度方向的传导可忽略不计。将三维结构转变为二维结构，考虑长×宽平面的散热问题。根据《锂离子蓄电池温度场分析》中给出的放电时电池发热量公式，估算电池发热。并用ANSYS软件，对其进行有限元网格划分，并加载求解。
对于电池模块整体的散热问题，可将周围环境看为恒温（即炉热实验）的有内热源的简单传热学问题。
设计任务
课题内容:2人一组,完成电动汽车电池仓结构设计,满足电池充放电时的温升要求。
课题任务要求：
分析电池仓的结构设计需求分析，确定布局方案；
进行电池组模块的包装设计；
与组员一起，用三维软件简历汽车动力电池仓三维模型。
进度安排
1-5周 外文文献翻译、文献综述、开题报告
6-9周 总体设计：分析电池仓结构设计需求分析，确定布局方案
10-14周 详细设计：进行电池模块的包装设计，用UG建立汽车动力电池仓三维模型
15-16周 撰写毕业论文
17周 论文答辩
参考文献
[1]王峰,李茂德.电池热效应分析.第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集,2009;
[2] Guifang Guo, Bo Long, Bo Cheng .Three-dimensional thermal finite element modeling of lithium-ion battery in thermal abuse application.Journal Of Power Sources，2010(195):2393-2398；
[3]车杜兰,周荣,乔维高.电动汽车电池包热管理系统设计方法.汽车工程师,2009(10):28-30
[4]王青松,孙金华,何理.锂离子电池安全性特点及热模型研究.中国安全生产科学技术,2005,1(3):19-21.
[5]立冬.锂离子电池将成为未来之星.中国有色金属报,2009,2月19日(第8版)
[6]王晋鹏,胡欲立.锂离子蓄电池温度场分析.电源技术测试与分析,2008:120-121,131.