摘 要

锂离子动力电池因具有高能量密度、循环使用寿命长、对环境无污染等诸多优点，被广泛应用于电动汽车行业。但在实际使用中，锂电池必须实现快速充放电，因而锂电池会在短时间内聚集大量的热量，导致其内部温度迅速升高，过高的温度不但会降低锂电池循环使用寿命，更可进一步导致锂电池发生燃烧、热失控甚至爆炸等危险后果。因此，锂电池的热安全问题极大地制约了锂电池的发展。为了有效解决这一难题，必须深入研究锂电池的传热特性，设计合理有效的锂电池散热结构。本课题以液冷法针对锂离子电池进行热管理系统的研究。主要包括锂离子电池的多项结构分析，SolidWorks Flow Simulation热仿真软件对锂离子电池组的散热虚拟仿真，并对结果进行分析与优化，得出最佳结论。主要研究内容如下：

论文首先研究了不同冷却方式对电池温度的影响，得出在相同环境下，采用侧面冷却的方式冷却效果比较好。在此基础上，依据侧面冷却的形式研究了串行通道中不同接触方式与不同排道数目对电池温度的影响，得出单排非波浪形式的也冷板冷却效果较好。在并行通道中研究了不同排道数目对电池温度的影响，并进行了相应的优化，得出采用异侧单排形式的散热结构其冷却效果较好，并与之同串行结构相比较，发现采用串行非波浪形单排冷却模型效果较优。

其次，在采用串行非波浪形单排模型的基础上，再分别进行了不同冷却液流量及不同流道数目对电池温度的影响进行分析，发现随着冷却液流量的增加，冷却效果逐渐增加，但其增加程度亦逐步降低。在流道数目的分析得出采用双流道能够使电池达到较好的冷却效果。

关键词: 电动车，锂电池，液冷，热管理系统

Abstract

Lithium-ion power batteries are widely used in the electric vehicle industry due to their high energy density, long cycle life and no pollution to the environment. However, in actual use, the lithium battery must achieve rapid charge and discharge, so the lithium battery will accumulate a large amount of heat in a short time, causing its internal temperature to rise rapidly. The excessive temperature will not only reduce the cycle life of the lithium battery, but also Further lead to dangerous consequences such as burning, thermal runaway and even explosion of the lithium battery. Therefore, the thermal safety of lithium batteries has greatly restricted the development of lithium batteries. In order to effectively solve this problem, it is necessary to study the heat transfer characteristics of lithium batteries in depth and design a reasonable and effective heat dissipation structure for lithium batteries. This topic uses the liquid cooling method to study the thermal management system of lithium ion batteries. It mainly includes multiple structural analysis of lithium-ion battery, SolidWorks Flow Simulation thermal simulation software for the thermal simulation of lithium-ion battery pack, and the results are analyzed and optimized to get the best conclusion. The main research contents are as follows:

The paper first studied the effect of different cooling methods on the battery temperature, and found that in the same environment, the side cooling method is better. On this basis, according to the side cooling form, the influence of different contact modes and the number of different rows on the battery temperature in the serial channel is studied. It is concluded that the single-row non-wave form also has better cooling effect on the cold plate. In the parallel channel, the influence of the number of different rows on the battery temperature was studied, and the corresponding optimization was carried out. It is concluded that the cooling structure with the single-side single-row heat dissipation structure has better cooling effect and compared with the same serial structure. It was found that the serial non-wavy single-row cooling model is superior.

Secondly, based on the serial non-wavy single-row model, the effects of different coolant flow rates and different number of runners on the battery temperature were analyzed. It was found that the cooling effect increased with the increase of coolant flow. However, its degree of increase has gradually decreased. The analysis of the number of runners shows that the use of dual runners allows the battery to achieve better cooling.

Key Words: EVS，lithium-ion battery，Liquid cooling，Thermal management system

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 研究现状 2

第2章 研究方法与机理 6

2.1 锂离子电池简介 6

2.1.1 锂离子电池发展史 6

2.1.2 锂电池产、散热原理 6

2.2 锂电池热管理系统研究方法及进展 7

2.2.1 锂电池散热系统研究进展 7

2.2.2 液体冷却方式的锂电池热管理系统 10

2.3 液冷板介绍 11

2.4 SolidWorks Flow Simulation软件介绍 11

第3章 热仿真结果与探讨 14

3.1 不同冷却方式对电池温度的影响 14

3.1.1 仿真模型的建立 14

3.1.2 自然冷却 15

3.1.3 底部冷却 16

3.1.4 侧面冷却 17

3.2 侧面冷却对电池温度影响分析 19

3.2.1 串形通道冷却对电池温度影响分析 19

3.2.2 并形通道对电池温度影响分析 23

3.2.3 本节小节 28

3.3 冷却液流量对电池温度影响分析 29

3.4 通道数目对电池温度影响分析 31

第4章 总结与展望 35

4.1 总结 35

4.2 展望 35

致 谢 37

参考文献 38

绪 论

研究背景及意义

环境污染已经成为全世界各个领域，尤其是交通运输行业亟须解决的关键问题。纯电动汽车(EVs) 以其高效率, 近零排放等优点从传统的运输行业中脱颖而出，具有明显的环保和节能优势，是适合解决未来交通的长远方案。然而，大规格的动力锂电池电池组在快速充放电循环时，伴随不同的化学和电化学反应，会产生大量热量，导致过热、燃烧、热失控和爆炸等风险升高；另外，电池组内温度及温差上升会显着降低其循环寿命，需要有效散热和局部热控制。寒冷地区温度低于电池工作温度，也将导致电池功率退化，需对电池进行预热。简而言之，锂电池热管理必不可少。

就效率和循环寿命而言，锂离子电池的最佳运行状态取决于它们的热管理。电池热管理系统（BTMS）是以确保电池或电池组在低温环境中所需的性能以及在高温环境中所需的寿命。此外，温度是一个重要因素，它影响锂离子电池包括热和电化学行为等在内的几个方面，最终影响性能和循环寿命成本^[17-19]。通常的电池的最佳温度在20°C和40°C之间^[20]，允许操作的延长范围在-10°C和50°C之间。BTMS有不同的方法，包括：空气冷却；液冷却；热管技术；相变材料（PCM）。由于其简单和重量轻，空气冷却引起了许多研究人员的注意。液体冷却能够吸收更多的热量，与空气冷却相比，它占用的体积更小，是一种更有效的方法，但更复杂，成本和重量更高。此外，由于空气导热系数低，需要更高的空气流速来使用主动冷却方法对锂离子电池进行充分冷却。另一方面，液体冷却由于其高导热性而提供更好的冷却。被动冷却系统的例子是PCM，在被动系统中，环境空气用于携带元件排出的热量。有效的被动设计避免了使用风扇，歧管等组件。

锂电池因其独特优势，能够满足现代化的需求，迅速成为了EVs以及其他便携式设备的重要核心，但是锂电池较慢的充放电速率和高成本等问题的制约使其进一步发展还面临很多困难。目前商业化的锂离子电池的充电速率在0.1C到0.3C，以此速率充满整个电池需要数小时之久，这对于实现电动汽车广泛普及以及发展，是不可忽视的阻碍。除以上问题，影响锂电池充放电速率的主要因素是其发热和散热问题。锂电池在大倍率充电或放电过程中，内部化学反应迅速且存在阻抗等，会在短时间内释放大量的热量，导致锂电池内部产生局部高温，如果热量无法得到及时而有效的扩散和移除，高温将导致锂电池材料稳定性下降，从而影响锂电池正常的工作性能，最终导致过热、燃烧、热失控和爆炸等危险后果。因此，研究锂电池的散热特性、设计合理的电池散热结构是保证锂电池安全、可靠和高效运行的必要前提条件。

早在20世纪80年代，就有相关学者和技术部门开始研究电池热管理系统，第一个商业化锂电池出现在1991年。锂离子动力电池以其高能量密度、高功率密度和长使用寿命等方面的优势，成为了当前电动车动力电池的主流。相较于方形动力电池，圆柱形电池边缘效应小，制造、充放电的一致性较好，适合于电池串联成电池组使用。然而，电池组工作时一定会使产生的热量易于集聚，温度显着上升，严重时会导致过热、燃烧、热失控和爆炸等，影响电池组的安全性与热稳定性；其次，在低温环境下，锂电池的能量和功率都会有一定程度上的降低，性能显著衰退。综上所述的种种原因，则有必要采用电池热管理系统，以在高温时对动力电池进行散热冷却和低温时对其进行保温加热。

研究现状

锂离子电池领域的研究人员正不断从材料体系到充放电管理等诸多方面对电池安全性的技术展开研究，锂离子电池的安全性问题的基础特征为电池发热，传统热成像技术仅能采集到电池表面的温度分布，无法深入电池内部；设置热电偶采集温度的方法受结构限制又无法得到完整的热分布信息。

对于锂电池散热性能的研究，目前主流研究方法有实验法和数值法。实验法一般只能测量电池的表面温度、实验周期长、成本高，致使实验法无法深入地研究锂电池内部电化学反应与产散热机制、内部的温度分布及变化等。因此，研究人员和学者开始致力于开发一种新的研究方法，更加全面的研究锂电池的化学、物理特性，以此来设计锂电池结构和散热方式，使锂电池能够更加满足时代发展和进步的需求。因此，诞生了数值法，使得锂电池的数值计算分析、设计和优化分析越来越接近于真实的工作过程，数值计算结果的准确性和精确度得到提高。

就目前锂电池的研究现状而言，常见的动力锂电池冷却方式有四大类：空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和新兴的热管技术冷却。众多研究人员和学者对锂电池内部的热化学物理机制和热特性进行了全面的探究，同时也为锂电池热管理研究提供诸多理论基础。

李友才^[3]、贾振华、杨宗田通过车用锂离子动力电池组散热特性数值研究。针对汽车用锂电池的散热问题，优化设计了电池组的结构。通过建立锂离子电池模型，仿真分析，得出的最后结论是电池间距会影响电池的散热特性，温度较高的地方集中在电池组中部区域，电池组进口处锂电池的温度接近环境温度，出口处锂电池的温度较高；增加进口处空气流速，电池表面空气流速增加，锂电池的散热效果增强。

叶欣^[4]、赵耀华、全贞花通过设计电动汽车锂离子电池散热加热结构，利用微热管技术，解决了锂离子电池热管理系统制约瓶颈的问题，结论是没有散热系统时，电池组内电池温度超过40℃，电池温差超过5℃；采用加热片加热能提升锂电池的低温性能。

漆元婧^[5]对锂电池散热结构设计及性能评估，研究设计了锂离子电池卷烧结构基本模型（几何模型，理论计算模型和数值计算模型）、导热性能研究分析、网格划分、锂离子电池卷烧圈数和卷烧张力对其有效热导率的影响，设计锂离子动力电池新型散热结构并建模，分别分析空冷方式和相变冷却时锂电池内部温度变化，温度最大值和最小值的变化以及锂电池温差变化，对比分析利用翅片对结构进行优化。文章结合热管技术，设计了一种锂电池散热结构，建立锂电池电化学-热耦合模型。利用该模型，对设计机构进行性能评估，主要对比空冷和相变冷却两种方式下锂电池与原始结构内部的温度分布。结果表明，新型散热结构可以有效降低锂电池内部温度，温度分布更加均匀。缺点是对于较大充电倍率条件下锂电池的温度分布会变得不均匀。而结合相变冷却的散热结构，既能快速而有效地降低锂电池温度，又使温度分布均匀，还可以使锂电池组温差维持在合理的温度范围内。证明了相变冷却的新型散热结构是一种有效合理的冷却方式。通过对比不同翅片厚度、数目以及半径下翅片的效率的变化，最终选出翅片最优化结果为翅片厚度0.4mm，数目5，半径6mm。

张遥^[6]、白杨、刘兴江研究了动力锂离子电池热仿真分析。应用CFD-ACE 软件，建立电池模型，研究热仿真结果，获得锂电池温度分布图，研究分析认为锂离子电池体系热的生成效率大于散热效率时，体系温度会不断上升，造成电池燃烧、热失控和爆炸等风险，因此增强热稳定性，设计合理的热管理系统是提高锂离子电池安全性的基础。

蔡年生^[7]研究分析锂离子电池在海军装备的应用。对比铅酸电池，锂离子电池在鱼雷和海军装备等方面的应用具以下优势：更高的质量比能；更长的循环寿命；免维护；无记忆效应。与其他便携式电池，锂离子电池比能力、功率、放电倍率、体积都要大得多，放电状况的复杂性，散热条件等都会有很大的影响。此外海军用装备对电池的可靠性、安全性和热稳定性的要求更加严苛。文章对锂电池不安全因素做了相应研究，认为锂电池充电过程中出现的膨胀发热，热失控时，负极材料膜首先分解，产生大量热量，散热不及时，锂离子电池温度上升，针对锂电池不安全因素，提出离子电池安全措施，一类是着眼于电池外部，设计锂电池热管理系统，对锂电池充放电过程进行监控和及时处理，保证锂离子电池安全工作。第二类研究适当的材料、优化结构使电池温度超过安全数值时电池内部环境发生变化，停止不安全状态，保证电池安全。经过大量的安全应用研究，锂离子电池的安全性会得到较好的解决方式。

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