电动汽车动力电池绿色设计方法研究

锂离子电池是目前电动汽车首选的动力源,其作为电动汽车动力电池在技术、成本、安全性等方面有着突出优势。随着锂离子动力电池的大规模应用,其资源、能源消耗和环境污染问题将会进一步凸显。如何从绿色设计与制造的角度减小动力电池乃至整个电动汽车的环境影响,将成为了动力电池组设计研发的重要内容。本文在国家自然科学基金项目的支持下,从动力电池组换代设计需求出发,围绕电动汽车动力电池组绿色设计方案的生成及优化展开研究,主要研究工作如下:(1)在分析现有电动汽车动力电池组基本研发过程的基础上,明确了对动力电池对象开展绿色设计优化的整体策略,构建了动力电池产品绿色设计优化体系,为动力电池产品设计研发过程中具体绿色设计工作的开展提供了理论基础。(2)针对动力电池组概念设计阶段的绿色设计优化需求,提出了“绿色设计优化潜力”这一全新绿色设计概念。在考虑到产品零部件多绿色设计要素(功能、材料、几何结构、配合关系、制造工艺)设计关联性的基础上,对新提出设计概念进行了数学化描述。在构建绿色设计优化潜力评估工具的基础上,提出了产品绿色概念设计方案生成方法;在分析动力电池组使用性能、环境性能和成本的基础上,提出了动力电池概念设计方案决策方法。(3)针对动力电池组详细设计阶段对产品环境影响量化分析的需要,开展了面向生命周期仿真的动力电池生命周期数据集成应用方法研究。运用生命周期分析理论和产品参数化设计思想,通过对动力电池组生产工艺流程、纯电动汽车行驶过程能量传递与消耗过程、精细化回收工艺流程的分析,建立了动力电池生产阶段、使用阶段、回收阶段的参数化清单模型,实现了在动力电池正向设计过程中对动力电池组全生命周期环境影响的计算。(4)针对动力电池组详细设计阶段环境性能优化方法体系缺失问题,从纯电动汽车动力电池的配置设计出发,通过基于电化学原理的锂离子电池性能分析计算、基于设计约束满足的动力电池组详细设计方案生成方法和面向环境性能提升的动力电池组优化设计方法三方面的研究,形成了一套完整的动力电池组详细设计阶段环境性能优化方法体系。(5)以在北京、上海、深圳三个一线城市部署电动出租车汽车为使用场景,对某款动力电池组产品开展了生命周期环境影响评价。利用本研究所提出的动力电池绿色设计方法,在保持电动汽车同等续航里程和增大续航里程两种情景下分别配置设计了新的动力电池组,验证了所提出动力电池绿色设计方法的有效性。