摘 要

近年来，动力电池被各个国家重视起来，中国政府也对电动汽车投入了大量的补贴，动力电池的发展如火如荼。在水上交通运输行业，也有大量的动力电池被用于船舶动力设备，动力电池组一般是用磷酸铁锂电池作为基体，磷酸铁锂电池有能量高、使用寿命长、功率密度大等特点，非常适合作为船用动力设备电池组。电池组不同于内燃机，电池组在工作过程中对环境的要求较高，环境的温度和湿度都会对电池组的工作性能及使用寿命产生很大的影响。电池组在工作过程中，会产生大量的热量，这些热量如果不及时排出电池箱，就会影响电池的工作性能，甚至导致电池爆炸，造成对人和动力设备的安全威胁。风冷散热方式由于其结构简单、成本低、散热效果较好等优势，现被当做主流的电池组散热方式。本文将探究电池组内单体电池的排列方式和电池箱外壳通风口的布置位置对电池组散热效果的影响，利用模拟仿真软件ANSYSY进行仿真实验，检测电池组的温度,对电池组的散热效果进行分析，研究电池组风冷散热结构的优化问题。本文具体进行以下研究：

①在锂离子电池组采用风冷散热方式的前提下，设置电池组内不同的单体电池排列方式，通过仿真软件ANSYS进行模拟实验，对电池组中最高温度、最低温度、温差进行监测，比较不同电池组排列方式的散热效果。

②以电池箱外壳上通风口位置的不同作为变量，探究不同进风口和不同出风口下电池组的散热效果，当进风口设置在电池箱外壳上表面，出风口设置在电池箱下表面时，散热效果最好。

关键词：动力电池；温度；电池组；仿真软件；散热效果

Abstract

In recent years, power batteries have been attached importance to by various countries, the Chinese government has also invested a lot of subsidies to electric vehicles, the development of power batteries is in full swing. In the water transportation industry, a large number of power batteries are also used in marine power equipment. Power batteries are generally based on lithium iron phosphate batteries. Lithium iron phosphate batteries have the characteristics of high energy, long service life, high power density and so on. It is very suitable for marine power equipment battery pack. The battery pack is different from the internal combustion engine. The battery pack has higher requirements for the environment in the working process. The temperature and humidity of the environment will have a great impact on the working performance and service life of the battery pack. . During the operation of the battery pack, a large amount of heat will be generated. If the heat is not discharged from the battery box in time, it will affect the working performance of the battery, even lead to the explosion of the battery, causing the safety threat to the human and power equipment. Because of its advantages such as simple structure, low cost and good heat dissipation effect, the air-cooled heat dissipation mode is now regarded as the mainstream battery heat dissipation mode. In this paper, the influence of the arrangement mode of single cells in the battery pack and the arrangement position of the vents of the case of the battery box on the heat dissipation effect of the battery pack will be investigated. The optimization of air-cooled heat dissipation structure of battery group is studied. In this paper, the following research is carried out:

①on the premise of air cooling and heat dissipation in lithium ion battery pack, different single cell arrangement modes were set up in the battery pack, and the maximum temperature, minimum temperature and temperature difference in the battery pack were monitored by simulation software ANSYS. The heat dissipation effects of different battery pack arrangement methods were compared.

②taking the different position of the vents on the battery box shell as a variable, this paper probes into the heat dissipation effect of the battery pack under different air inlet and different outlet. When the air inlet is arranged on the upper surface of the battery box shell and the outlet is arranged on the lower surface of the battery box, The heat dissipation effect is the best.

Key words: power battery; temperature; battery pack; simulation software; heat dissipation effect

目录

第一章 绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2动力电池热管理系统 2

1.3国内外研究现状分析 3

1.4 本文研究内容及方法 5

第二章 动力电池工作原理及热特性分析 6

2.1锂离子电池的工作原理 6

2.2锂离子电池产热原理 7

2.3单体锂离子电池热特性的仿真分析 11

第三章 锂离子电池组散热结构分析 13

3.1 电池组模型的建立 13

3.2 单体电池排列方式散热分析 21

3.2.1不同排列方式的电池组温度分布 21

3.2.2 电池组通风口位置对散热 效果的影响 22

3.3 本章小结 24

第四章 结论与展望 25

4.1总结 25

4.2展望 25

参考文献 26

致谢 28

第一章 绪论

1.1课题背景及研究意义

随着全球经济的迅猛发展，化石能源被广泛使用，但是化石能源储量有限，世界能源危机就在不远的将来。随着工业的进步，地球对能源的需求还将不断增加。石油在被开采后，经过一系列的处理，变为内燃机的燃料油。车用内燃机和船用内燃机每年都会消耗大量化石能源，燃料油中由于含有硫氮等物质，混在燃料油中燃烧后会产生大量污染环境的废气。机动车排放的污染物主要有以下几种：①颗粒物，②二氧化硫，③含铅化合物,④一氧化碳，⑤氟氯烃；汽车尾气污染物是北方雾霾天气的重要推手，这些有害气体不仅污染空气，损害人类健康^[1]，而且会破坏臭氧层，导致温室效应，全球温度升高，形成光化学烟雾等。雾霾天气也时有发生，环境正在逐步恶化，严重影响人类的健康与生活。

现在科学家正在大力开发尾气净化技术，研发各种绿色能源，大力发展清洁能源如太阳能、风能等，但污染物的排放量下降并不明显，大批量的尾气依然威胁着人类的健康。化石能源燃烧的本质不变，尾气的排放就得不到有效的解决。未来的动力机械的动力来源将有深刻的变革，未来的能源使用将会更加环保和高效。

如今，电能已经走进了千家万户，在民生的各个领域，都能看到电能的身影。船舶领域也大量应用电能，磷酸铁锂电池由于其优越的使用性能，被用来满足部分船用动力机械的使用需要。电池对环境的要求比较高，环境的温度和湿度会对电池的性能产生很大的影响。电池充电放电过程都会产生许多热量，如果这些热量不及时排出，电池的使用性能将会下降，电池的寿命也会被减少，甚至出现爆炸等危险，对用户的安全构成威胁。对动力电池的热管理已经成为发展动力电池的关键因素，动力电池产业化也离不开对电池散热的研究，要兼顾动力电池的热安全性、热稳定性和热均衡性，对船用动力电池的散热系统进行研究和优化很有必要。当动力电池组的温度均匀分布时，电池组的热稳定性越好，电池组的使用寿命也就越长，考虑到工业使用的要求，电池组必须紧凑、轻量、低成本、易组装，而且还要做到安全和可靠。合格的热管理系统，必须能在电池组的各种使用条件下让电池组在适宜的温度范围内工作，并且迅速排出潜在的有害气体。随着科技发展，当前已经出现了几种主流的散热方式：①空气散热，②液体介质散热，③相变材料散热，④复合方式散热，也就是包含两种或两种以上基础散热方式。

空气散热方式由于它的低成本和高效率，在当前被广泛应用于各种电池组散热系统。空气散热主要散热方式是风冷散热。不同的风冷散热结构的散热效果是千差万别的，当前风冷散热方式主要分为两种：一是自然对流式冷却；二是强制对流换热式冷却。自然对流冷却是指自然流动的低温空气带走温度较高的电池表面的热量，吸收热量的空气会与距离电池表面较远的低温空气形成对流，从而空气实现流动，进而实现持续换热的方式。自然对流的换热量较低，因而自然对流适用于对电池放电倍率要求小的汽车，当电池的放电倍率升高时，电池的温度会大幅提高，自然对流冷却方式的换热量量不够，难以满足高放电倍率的电池组的散热需要。强制对流换热一般利用风扇或者空气泵来促使低温空气流动，带走电池表面的热量。强制对流换热方式的换热量大，结构简单，成本很低，目前被广泛用来满足动力电池组的换热需求。

1.2动力电池热管理系统

由于船舶运行环境的特殊性，遇到意外事故难以接受到及时的救救助，这就要求船用动力机械要有极高的稳定性。动力电池组作为部分船用动力机械的动力来源，要保证动力机械在各种恶劣条件下安全温度运行，电池包的热管理系统就十分重要。热管理系统必须及时排出电池在充放电过程中产生的热量，而且要保证电池包内部温差在适宜的范围内。船用动力机械的性能，寿命都跟电池的性能有很大的关系，不同类型的电池的适应使用温度不尽相同，对于铅酸铁锂电池来说，适宜的使用温度是15℃--35℃，当使用电池的环境温度过高或者过低时，电池由于其内部化学反应不稳定，电池的耐温性很有限，很容易爆炸，对设备使用者的人身安全造成巨大的威胁^[2]。

为了保证电池组在使用过程中的安全性与稳定性，电池热管理系统应运而生^[3]，电池热管理系统主要起以下作用：

①保证电池组的有效散热，有效散热可以从散热速度和散热量的角度考量，保证电池在运行过程中产生的热量可以及时排出，提高电池使用性能和使用寿命，防止电池爆炸等安全事故的发生。

②确保电池组内的温差在适宜的范围内，由于换热剂热流动方向和单体电池的排列等因素的影响，电池组内部各处的温度不尽相同，这会形成热应力，降低电池的性能和使用寿命。由大量实验数据和事实案例表明，电池组内的温度差应该在6℃以内^[4]。

③测控电池温度，当电池温度异常时，能够及时发出预警，提醒用户采取适宜措施。

④排出电池组内部由于化学反应产生的气体，提升电池的可靠性和寿命。

当前，电池热管理系统的冷却方式多种多样，但比较主流的有以下几种：①风冷，②液冷，③相变材料冷却，④热管冷却。这些冷却方式分为自然冷却和非自然冷却，对于前者，冷却过程中并不消耗能量，例如自然对流冷却。对于后者，冷却过程中要消耗能量，例如强制对流冷却就是用风扇来改变冷却空气的速度和方向，达到良好的冷却效果的非自然冷却方式^[5]。

图1.1 主流的集中冷却方式比较

1.3国内外研究现状分析

L.W.Fan 等人^[6]以动力电池组为研究对象，运用仿真分析软件建立了电池组三维非稳态热仿真模型，模拟了不同工况下不同冷却方式和冷却参数对电池组散热效果的影响，结果显示，在冷却空气速度一定时，减小电池间距可以降低电池组内的最高温度；而当电池间距固定不变时，增加冷却空气的速度可以降低电池组内的最高温度。采用合理的电池间距可以提升电池组内温度的均衡性，即电池组内的温差减小，但对降低电池组内的最高温度影响并不大。

饶中浩^[7]在探究电池产热规律的基础上，综合利用数值模拟和实验论证的办法，对相变传热材料（PCM,phase change material）在动力电池组中的散热状况进行了探究与分析，深入研究了PCM在微观情景下的传热规律；研究发现电池组的散热效果与PCM的导热系数在一定条件下正相关，PCM的导热系数越大，电池组内部的散热效果越好，电池组内的最高温度也相应降低，电池组内的温差也会变小。但是当PCM的导热系数处在较大数值后，增加PCM的导热系数对电池组散热效果的改善效果并不明显；在相变材料散热与风冷散热结合的复合散热方式下，在相变材料导热系数较小时，冷却空气的从进风口进入电池箱的初始速度越大，电池组内的温度差越大；而当相变材料的导热系数增大到一定数值后，冷却空气进入电池箱的速度对电池箱内的温度差值影响较小。

张江云^[8]以当下市场上主流的磷酸铁锂电池和18650动力电池为研究对象，研究了环境温度对电动力电池的性能和使用寿命的影响，深入分析了在不同使用环境下，电池组内的电流，产热情况；电极材料的性能也会对电池的使用性能造成很大的影响，在微观的视角下，当电池过充电时，电极材料的活性物质会由分散状态变为聚集状态，活性材料聚集以后，电池的嵌锂/脱锂运动会受到严重的影响，电池中的化学反应会受到阻碍，电池的充放电性能就会受到严重的影响。而当电池处在高温环境下工作时，电芯内部的化学反应会加剧，产出的热量难以及时有效地排出电池芯部，导致电池内的最高温度增大，电池的使用寿命减短，电池的储能能力也会大幅度下降。

陈大分^[9]通过改变电池组散热结构，分析散热结构对电池组散热效果的影响，在散热方式的选择上，利用当下几种主流的散热方式建立了流-热耦合模型，再以冷却介质进入电池箱的速度为变量，探究了不同流速下的冷却介质对电池的散热效果，对几种散热方式综合考虑后，创新地提出极耳散热法，在利用极耳散热法进行散热实验后发现极耳散热法的散热效果很好，可以很好地满足电池在使用过程中的散热需要。

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