摘 要

电池作为混合动力系统的储能元件和关键部件，在当今社会越来越注重环境保护的背景下具有不可替代的地位与作用，在众多电池中，锂离子电池由于具有高效充电、密度小、比能量高和绿色环保等优点，已经成为应用前景最为广阔的储能技术，并广泛应用于船舶和汽车等领域。但是由于发展速度过快，也出现了很多安全性问题，其中锂离子电池温度热管理对电池寿命和性能有着重要的影响。对此，本研究基于COMSOL软件对电池组件在空气冷却的情况下，仿真得到多种初始条件下风冷式热管理的温度场及对比流场的分布进行分析，以确定不同条件对热管理的影响。

在第一章中对锂离子电池的内部结构和组成电池各部分的功用做了一个介绍，随后通过对锂离子电池热源来源分析说明了电池热管理系统存在的必要性以及热管理系统的三种类型。第二章讲述了当今锂离子电池的发展和电动船舶的发展前景，讲述了电动船舶相对于传统柴油机推进系统船舶的优势，明显，不管是在排放上还是节省经济成本上，优势都很大。在此基础上，第二章结尾列出了一些电动船舶存在的问题和发展方向。第三章到第五章进行了从电池包模型建立的必须准备条件到建模、仿真和分析结果的过程，研究了不同初始条件下锂离子电池风冷热管理系统的表现，第六章得出结论，对不同条件下温度场分布规律做了一个总结。

关键词：锂离子电池，风冷式热管理，温度，电动船舶，蓄电池

Abstract

As the energy storage element and key component of hybrid power system, battery has an irreplaceable position and function under the background of more and more attention to environmental protection in today's society. Among many batteries, lithium ion battery has become the most promising energy storage technology because of its advantages of high efficiency charging, low density, high specific energy and green environmental protection, and has been widely used in ships and automobiles. But because the development speed is too fast, there are many safety problems, among which the temperature and heat management of lithium ion battery has an important influence on the battery life and performance. Based on COMSOL software, this study focuses on air cooling of battery components In order to determine the effect of different conditions on thermal management, the temperature field of air-cooled thermal management and the distribution of flow field are analyzed.

In the first chapter, the internal structure of lithium-ion battery and the function of each part of the battery are introduced, and then the necessity of the battery thermal management system and the three types of thermal management system are explained by analyzing the source of heat source of lithium-ion battery. The second chapter describes the development of lithium-ion batteries and the development prospects of electric ships, and describes the advantages of electric ships compared with conventional diesel propulsion system ships, obviously, whether in terms of emissions or saving. Save economy cost, advantage is very big. On this basis, the end of the second chapter lists some problems and development directions of electric ships. chapter 3 to chapter 5, the process from the necessary preparation conditions to the modeling, simulation and analysis results of the battery pack model is carried out, and the performance of the and heat management system for lithium ion batteries under different initial conditions is studied. chapter 6 draws a conclusion and makes a summary of the distribution law of temperature field under different conditions.Key Words：Lithium-ion batteries；air-cooled thermal management； temperature；electric ships； batteries

目录

采用风冷船用锂离子电池组热管理方案设计 1

第1章 锂离子电池结构及热管理系统 7

1.1锂离子电池结构及工作原理介绍 7

1.2电池热管理必要性 8

1.3电池产热原理 9

1.4风冷电池热管理系统 9

1.5液冷电池热管理系统 9

1.6新型电池热管理系统 10

第2章 锂离子电池在电动船舶上的应用前景与趋势 11

2.1电动船舶分类 11

2.2国外发展现状 11

2.3电动船舶优势 12

2.4锂离子电池电动船舶的优势 13

2.5锂离子电池应用于船舶电力推进的现存主要问题 13

2.6电动船舶发展方向 14

2.6.1 总体设计及优化标准 14

2.6.2安全及防护标准 14

2.6.3 电池性能及测试标准 14

2.6.4 运营管理及维护标准 14

2.6.5蓄电池技术现状及未来发展 15

第3章 锂电池电-热耦合模型仿真构建 16

3.1电化学模型 16

3.2锂离子电池热传导模型 19

3.3能量转化关系 20

3.4锂离子电池传热理论介绍 21

3.5锂离子电池热模型参数获取 22

第4章 仿真模型设计及验证 24

4.1电池包模型结构及网格划分 24

4.2仿真条件设置 25

第5章 电池排布方式和进口风速对电池包散热仿真结果分析 26

5.1电池排布方式对电池包散热效果的影响 26

5.2 进风口风速对电池包散热效果的影响 27

第6章 结论 29

参考文献 30

致 谢 32

第1章 锂离子电池结构及热管理系统

1.1锂离子电池结构及工作原理介绍

作为二次电池，锂离子电池由正负电极、电解液、集流体和隔板组成。隔膜是一种由多种聚合物组成的薄膜，起到了允许离子自由移动而阻止电子自由移动的作用。集流体的作用是保证电子的传输，路径为从电极到外部电路，并且要做到在尽可能减少电池整体尺寸的同时提高电池的容量，所以其本身也被要求有较低的质量和娇小的体积，考虑到导电性，目前商用电池的正负极集流体一般是铜箔或铝箔。但是对锂离子电池来讲最重要的部分是由活性颗粒和添加剂组成的多孔结构，锂离子电池作为一种绿色环保无污染的储能装置，通过一系列化学反应将电池中储存的能量转化为低压直流电能释放。

图1.1 锂离子电池工作原理示意图

锂离子电池也分很多种，钴酸锂电池（LiCoO2）的热稳定性不是很好，而磷酸铁锂电池电池（LiFePO4）具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好、自放电率小、无记忆效应的优点。在磷酸铁锂电池中，石墨由于具有优良的性能，是最常用的负极材料之一，不仅在工作中循环变化体积小，而且锂离子嵌入和脱出石墨的平衡电位在0到0.2V之间。硅由于其自身的特性，也被作为负极材料广泛研究，但是在循环过程中体检变化很大并且寿命短。其他的负极材料中钛酸锂（LTO）在充电可以做到快速充电，大大节省时间，但是其能量密度较低，无法很好的适应当前需求，反而限制了自身的发展。在锂离子内部结构中，隔膜起到了允许离子自由移动而阻止电子自由移动的作用，并且还可以阻止正负极之间产生物理接触，目前常用的隔膜材料有聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。电解液溶剂作为很多反应发生的场所，其配比对电池的安全性和性能有十分重要的影响，必须做到毒性低、反应活性低、离子电导率和热稳定性好，并且与其他电池成分不敏感才算作好的电解质溶剂。通常情况下溶质是一种可溶解在有机溶剂中的锂盐。通常情况下锂离子电池电解液溶剂是碳酸乙烯酯（）、二乙基碳酸酯（）、碳酸二甲酯（），和碳酸甲乙酯（）等的混合物用来作为溶解锂盐，其中EC是固体电解质界面膜（SEI）形成的一个必要组成部分。溶质有多种如LiPF₆、LiAsF₆、LiClO₄、LiSO₃CF₃和LiBF₄等，但是很难找到一个同时具备化学稳定的、安全的和高导电性，LiPF₆的性能折中是目前商用电池中常用的溶质。包括嵌入/脱出等可逆过程在内的电化学反应发生在锂离子电池内部，充电发生时，阴极电势比阳极电势高，在电场的作用下，锂离子会从阴极经过薄膜扩散到阳极，当阳极所有可用锂离子嵌入完毕，即充电完成。放电过程中，与之相反，阳极电势比阴极电势高，锂离子将从阳极脱出向阴极移动。不管是充电还是放电，都是锂离子嵌入和脱出电极的过程，这一过程影响因素很多，与包括电荷传递、温度、放电倍率、电子电阻、离子电阻和电池结构在内的多种因素都有关。锂离子电池作为电池中的大类，其用途也有很多种，所以根据应用范围的不同也分为很多种形状，比如纽扣式、圆柱形、软包电池和方形硬壳等。纽扣式电池常用于电子产品，其他包括圆柱形、软包电池和方形硬壳等在内的多种电池广泛应用于电动汽车或类似领域。采用较多的圆柱形电池由锂离子电池基本组成层层缠绕而成，一般来讲，其电池容量不会超过4Ah。方形硬壳电池内部则采用卷绕式或者叠片式结构，外部用铝合金硬封，但是由于工艺尺寸标准不统一，虽然拥有较高的安全性，应用仍然没圆柱形多。软包电池具有较大的散热面积，产生的热量也更加容易向外部转移，单考虑散热性能的话优于圆柱形电池。综合考虑生产成熟度、可用性、生命周期、成本和安全性等指标，圆柱形电池依然是最优选择，广泛应用于电动船舶和电动汽车。

1.2电池热管理必要性

对于混合动力系统和纯电动系统而言，电池的性能很大程度影响船舶的各项性能，为了能一年四季在不同温度下稳定运行，电池包的热管理从一开始就十分重要。电动船舶的性能，与电池的性能与寿命息息相关，而这些对于电池温度都比较敏感，如果不能做到有效管控，那么电池的寿命和性能无疑会大打折扣，增加经济成本。

设计电池的热管理系统时，除了要考虑电池的整体温度，电池内部温度分布不均匀性也要纳入考虑范围。由于电池工作时，热管理系统并不能对内部做到相同程度统一散热，而且各个单体电池工作时放出的热也会相互影响，进而会导致各个单体电池工作环境存在差异，造成充放电性能差异，从而使电池包电失衡。