摘 要

当今社会，化石能源正在被逐渐地消耗殆尽，环境污染的问题也深深的刺痛着人们的内心，传统的代替人们出行的交通工具燃油汽车这种旧事物毋庸置疑会被新事物新能源汽车替代。在新能源汽车中，电动汽车占据着巨大的份额。锂离子电池作为电动汽车的至关重要的动力来源，它的工作性能将对电动汽车的性能产生非同小可的影响。温度对锂电池的工作性能起着举足轻重的作用，当高于正常工作温度时，电池内部的温度由于各种原因无法及时散发出去，将导致爆炸等不堪设想的后果；同时温度过低，将对电池的容量产生不可忽视的影响，电池的工作效率被降低。通过正确合理地利用风冷系统，可以将电池工作产生的热量有效地散发出去，使电池工作在一个较为合适的温度范围，提高电池工作效率，进而提高电动汽车的安全性能。

本文首先介绍锂电池的风冷系统，包括锂离子电池的基本结构、工作原理和生热机理。然后基于comsol仿真平台建立锂电池的一维模型和电池包的三维模型，基于锂离子电池的电化学-热耦合模型添加锂离子电池自身散热，流动室流动，电池固体传热的稳态或瞬态的条件研究，通过仿真得到流动室和电池组表层的温度分布，并对结果进行加工处理，得到直观的三维模型图。最后，通过对比不同条件下的流动室和电池组表层温度，分析风冷系统对电池工作的散热影响。

仿真结果表明在有风冷系统进行散热的情况下，电池包的温差明显低于没有风冷系统散热的温差，风冷系统散热对降低电池包的温差具有积极的影响，仿真结果的分析结果可以为设计者提供风冷系统设计方案或建议，对锂电池热管理以及电池的安全性能具有重要意义。

关键词：锂离子电池；风冷系统；comsol；仿真

Abstract

In today's society, fossil energy is being gradually exhausted, and the problem of environmental pollution is also deeply hurting people's hearts. There is no doubt that the old thing of the traditional means of transportation, fuel cars, which replace people's travel, will be replaced by new things, new energy cars. In the new energy vehicles, electric vehicles occupy a huge share. Li-ion battery is the most important power source for electric vehicles. Its working performance will determine the performance of electric vehicle. However, the working performance of lithium batteries has a great relationship with the temperature.When the temperature is higher than the normal working temperature, the temperature inside the battery cannot be released in time due to various reasons, which will lead to unimaginable consequences such as explosion. At the same time, if the temperature is too low, it can not be negligible that the capacity of the battery will be affected and the working efficiency of the battery will be reduced. Through the correct and reasonable use of the air cooling system, the heat generated by the battery work can be effectively dissipated, so that the battery works in a more appropriate temperature range, the working efficiency of the battery is improved, and the safety performance of the electric vehicle is further improved.

This paper first introduces the air cooling system of lithium ion batteries, which includes the structure, working mechanism and thermogenesis mechanism. Then based on the comsol simulation platform, a one-dimensional model of the lithium battery and a three-dimensional model of the battery pack are established, and then the electrochemical-thermal coupling model of the lithium ion battery is obtained.On the basis of this model, the conditions of cell heat dissipation, flow chamber and solid heat transfer of cell are introduced, and the temperature distribution of flow chamber and cell surface is calculated under the steady and transient conditions. The results are visualized to obtain the three-dimensional model diagram.

The simulation results demonstrate broadly apparent that the temperature difference of the battery pack under the cooling of the air cooling system is obviously lower than that without the cooling of the air cooling system. The heat dissipation of the air cooling system has a positive effect on reducing the temperature difference of the battery pack. The analysis results of the simulation results can provide designers with design schemes or suggestions for the air cooling system, and are of great significance to the thermal management of lithium batteries and the safety performance of batteries.

Key words：square lithium-ion battery；heat dissipation；comsol；simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 电动汽车发展现状 1

1.3 动力电池发展现状 2

1.4 动力电池热管理研究现状 3

1.5 主要研究内容 5

第2章 锂电池风冷系统 6

2.1 锂离子电池的基本结构 6

2.2 锂离子电池的工作原理 7

2.3 锂离子电池的产热机理 7

2.4 本章小结 9

第3章 电化学-热耦合模型的建立 10

3.1 电池准二维机理模型概述 10

3.1.1 固相锂离子浓度分布 10

3.1.2 液相锂离子浓度分布 10

3.1.3 固相电势分布 11

3.1.4 液相电势分布 12

3.1.5 两相界面Butler-volmer方程 12

3.2 单电池一维模型的建立 13

3.3 电池组三维模型的建立 13

3.4 一维模型与三维模型的耦合 14

3.5 小结 15

第4章 仿真结果分析 16

4.1 采取散热方式的锂电池组产热分布 16

4.2 未采取散热方式的锂电池组产热分布 17

4.3 小结 17

第5章 结论与展望 18

5.1 结论 18

5.2 展望 18

参考文献 20

致谢 21

第1章 绪论

1.1 研究背景

能源推动着人类社会的突飞猛进、一日千里，是推动我们生活蒸蒸日上、国家经济提升的最重要力量之一。当今社会，我们使用着大量的煤、石油、天然气等化石燃料。然而有目共睹的是，这些化石能源作为不可再生能源，如果我们继续随心所欲地使用这些资源，总会有消耗殆尽的一天，同时，坏境保护也在受到越来越多的人的关注，燃烧化石燃料对环境产生污染的行为显然与现在的时代观念不符，对化石能源的无限依赖已经不能满足当今社会的发展以及我们对于生态环境的要求。作为当今社会的重要交通工具的燃油汽车是一把双刃剑，给人们出行带来不可忽视的方便的同时，也对环境造成了难以估量的危害。因此寻找干净清洁的能源作为汽车动力已经成为当务之急，并且迫在眉睫。锂离子电池以其有着工作电压高、比能量高且循环性能好，不会造成污染等特点而成为人们心仪的对象，被人们视如珍宝，锂离子电池的热管理也因此成为一个不容忽视的环节。作为动力汽车的动力来源，动力电池的工作状态和诸多因素有关。除去电池本身的性能，电池的工作状态也和电池热管理系统有着很大的关系。在动力电池的工作工程中，频繁的充放电是一个不可避免的问题，这也就不可避免的导致电池温度升高，同时因为电池所在的空间位置相对而言是非常小的，热量散发受到影响，所以较为困难，最后导致热量积少成多，最后导致电池无法工作在正常温度。然而温度又会对电池容量、循环使用寿命、充放电电流大小等性能产生影响，从而对电池动力的输出与输入以及电池的安全性能产生影响。除此之外，在较为寒冷的地区，由于电池工作时的环境温度较低，会导致电池的容量减少，放电异常等问题，所以能否对电池温度进行有效控制对电池的工作效率和安全性能非常重要。综上所述，锂离子电池的热管理是一个非常重要的环节。

1.2 电动汽车发展现状