摘 要

本文借助仿真软件COMSOL对圆柱形锂离子电池组进行热仿真分析，设计可行且比较合适的散热方案。

本文首先以圆柱形锂离子电池为研究对象，通过查阅文献等方式深入的了解了电动汽车发展趋势及对动力电池的要求，并掌握了锂离子电池的结构、组成和工作原理以及测试锂离子电池的热量来源及计算方法等方面的问题。确定了热模型采用电化学-热耦合模型。

其次，采用COMSOL建立18650锂离子电池的电化学-热耦合模型，对电池温度状态进行热仿真分析。结果表明该模型具有较高的准确性，可以预测电池的热特性^[11]。

最后通过COMSOL仿真软件进行仿真，得出最高温度、最低温度和平均温度。并通过改变设计方案其中的某一条件，分别得出几组不同的结果，并记录下来。

通过比较选择最合适的散热方案。

本文基于电化学、传热学、流体力学等理论基础，从多方面对圆柱形锂离子电池组热特性进行分析，并通过比较选择最合适的散热方案，研究结果对对动力电池热管理方案设计具有理论指导和实践应用价值。

关键词：锂离子动力电池，电化学-热耦合模型，热特性，散热方案

Abstract

In this paper, the thermal simulation analysis of cylindrical lithium-ion battery pack is carried out by means of simulation software COMSOL, and a feasible and suitable heat dissipation scheme is designed.

This paper firstly takes cylindrical lithium-ion battery as the research object, and deeply understands the development trend of electric vehicle and the requirements of power battery by consulting the literature, and masters the structure, composition and working principle of lithium-ion battery and testing lithium-ion battery. The source of heat and calculation methods. The thermal model was determined using an electrochemical-thermal coupling model.

Secondly, the electrochemical-thermal coupling model of 18650 lithium-ion battery was established by COMSOL, and the thermal analysis of the battery temperature state was carried out. The results show that the model has high accuracy and can predict the thermal characteristics of the battery.

Finally, simulations were performed by COMSOL simulation software to obtain the highest temperature, the lowest temperature and the average temperature. And by changing one of the conditions of the design, several different sets of results are obtained and recorded. Compare the most suitable cooling solution by comparison.

Based on the theoretical basis of electrochemistry, heat transfer and fluid mechanics, this paper analyzes the thermal characteristics of cylindrical lithium-ion battery packs from various aspects, and selects the most suitable heat dissipation scheme by comparison. The research results are designed for the thermal management scheme of power battery. It has theoretical guidance and practical application value.

Key words: lithium ion power battery, electrochemical-thermal coupling model, thermal characteristics, heat dissipation scheme

目 录

摘 要 II

Abstract III

第 1 章 绪论 1

1.1 研究背景及研究意义 1

1.2 研究目的 1

1.3 国内外的研究现状 1

1.4 研究内容及方法 3

1.4.1 研究内容 3

1.4.2 研究方法 3

第 2 章 锂离子电池的研究基础 4

2.1 锂离子电池的介绍 4

2.1.1 锂离子电池的结构 4

2.1.2 锂离子电池的工作原理 5

2.2 锂离子电池的热效应 6

2.2.1 锂离子电池的生热机理 6

2.2.2 锂离子电池传热理论 7

2.3 本章小结 8

第 3 章 圆柱形锂离子电池组散热仿真分析 9

3.1 单体锂离子电池的建模 9

3.1.1 一维电化学模型建立 9

3.1.2 二维旋转模型的建立 9

3.1.3 模型参数的确定 10

3.2 圆柱形锂离子电池组的建模 12

3.3 仿真结果分析 14

3.3.1 横向水冷仿真结果分析 15

3.3.2 竖直水冷仿真结果分析 16

3.3.3 改变流体初始流速的竖直水冷仿真分析 18

3.4 三种模型温度对比分析 18

3.5 本章小结 19

第 4 章 全文总结及展望 21

4.1 全文总结 21

4.2 研究展望 21

参考文献 23

致 谢 25

绪论

研究背景及研究意义

能源危机与环境污染已成为全球社会关注的焦点，过度的开发和依赖化石能源，已经带来了一系列问题。随后有了电动汽车的出现，电动车的出现有很大的意义，因为电动汽车可以提高能源利用效率，并缓解对环境的污染。而其中电动汽车的核心部件——动力电池，对它的研究也是发展电动汽车的核心问题^[3]。动力电池要求有：高能量、高功率、高能量密度、高倍率部分荷电状态下的循环使用、工作范围宽、使用寿命长和安全可靠等。常用的动力电池又分为铅蓄电池、镍氢电池和锂离子电池三种。而锂离子电池因为它的电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、快速充电和工作温度范围宽等优点成为主要的动力电池^[3]。

然而，随着锂离子电池的快速发展，它存在的一些安全隐患问题显得日益突出。其中，锂离子电池的散热方式已成为锂离子电池发展中的一个重大问题。研究锂离子电池的散热方式有助于指导电池的合理使用，延长电池的使用寿命。进一步的，对锂离子电池的产热机理及散热方式进行建模仿真，选择最适合的散热方式，有助于电池因产热量过大而带来的损失，降低了电池的维护和测试成本。同时，也可以避免或减少能源的损失。

研究目的

本文选取圆柱形锂离子电池为模型，通过采用实验和计算流体动力学相结合，展开对动力电池的产热和散热分析，以期了解水冷对传热和温度分布的影响，有助于设计合适的水冷散热方案。电池的工作条件与温度分布之间的关系为设计合适的散热方案提供了依据，并对锂离子电池使用安全性的研究有重大意义。

国内外的研究现状

目前我国在锂离子电池领域的研究工作主要集中在正负极材料等电池产业链前端领域，而发达国家已经在如何延长电池寿命及对其预测模拟、防止电池老化等电池产业链末端甚至电池回收领域取得了一系列研究成果。散热方案的设计涉及热量传递、材料等领域。锂离子电池的散热过程复杂多变，影响因素众多，获得精确的散热过程和散热模型仍具有挑战性。

2001年，Stato N等对锂离子电池进行了热力学实验和研究，将热生成因子分解为反应热值Qr、极化热值Qp和焦耳热值三个元素。此外，热力学计算结果与电动汽车用锂离子电池的产热实验数据吻合较好，验证了热力学逻辑的正确性^[14]。

2011年，Dong H J和 Baek S M对圆柱形锂离子电池进行了瞬态和热电有限元分析，并采用柱坐标简化模型。发现热源在高放电速率下，焦耳热效应显著，而熵变效应也显著，并且低排放率占主导地位^[12]。

2012年，刘振军，林国发等人建立了电动汽车锂离子电池组的三维散热模型，对电动汽车匀速行驶且自然风冷时锂离子电池组的温度场分别进行了仿真和测试。提出了锂离子电池组散热结构的优化方案，即通过在电池组箱体前后端面增加进出风口，可使气流进入电池组内部各个单体电池之间的缝隙，提高了换热系数，改善了电池组内部的温度场，带走了热量，优化后锂离子电池组的散热良好^[2]。

2013年，汤依伟，贾明等人基于电化学-热耦合模型研究聚合物锂离子动力电池放电过程热行为, 分析了放电倍率、冷却条件对电池放电过程的温度变化及分布的影响规律^[4]。

2015年，重庆交通大学的仇磊采用实验和计算流体动力学计算（CFD）相结合，展开对单体软包电池、动力电池组模块的产热和散热分析^[5]。

2017年，张浩，罗志民等人针对纯电动车动力电池系统设计了一套液冷系统，计算了电池系统发热功率，并根据发热功率设计出了水冷板结构，并根据电池发热功率及水冷板结构计算了液冷系统压力、流量参数^[6]。

2017年，Tianshi Zhang等人为了使电池组的温度保持在电动汽车(EV)的最佳范围，液体加热采用交换结构铝扁管组设计。并采用柔性石墨加强了对电池换热的热管理，并对其效果和合适的冷却方法进行了探讨。重点研究了BTM工艺过程中的热特性。结果表明，该电池组具有良好的冷却效果和轻量化效果，电池的最大温差可保持在5c以下，电池组的温度均匀性为采用柔性石墨后，改善效果明显^[13]。

2018年，赵韩和方雄灿建立了锂离子电池组风冷散热结构的三维仿真模型，应用计算流体力学（computational fluid dynamics,CFD）方法分析了电池组温度场分布，得出电池组最高温度和温差都对放电电流比较敏感；提出了电池组散热通道改进方案并进行了仿真分析^[8]。

2018年，康健强和李博蓝通过实验和仿真分析了高比能量三元材料(NCM)18650锂离子电池的热特性，设计了 S 型扁管包绕电池液体冷却散热结构，并通过数值模拟分析散热效果^[11]。

研究内容及方法

研究内容

先通过查阅相关文献资料了解锂离子电池的组成、结构和充放电过程的基本原理，掌握锂离子电池产生热量的机理，以及水冷对传热和温度分布的影响^[9]。然后查阅国内外相关文献资料并写好文献检索摘要，对文献资料进行理解消化加以总结，完成开题报告。还有就是按照导师的安排完成相应的研究任务。完成的主要任务及要求如下：

1. 了解电动汽车发展趋势及对动力电池的要求^[9]；
2. 掌握锂离子电池的组成、结构和工作原理^[9]；
3. 掌握测试锂离子热量来源及计算方法；
4. 掌握利用COMSOL构建圆柱形锂离子电池水冷散热模型；
5. 分析工作条件与温度分布的相互关系。

研究方法

通过查阅文献 ，总结国内外动力电池组散热方案的研究现状与前景，了解锂离子电池的组成、结构和充放电过程的基本原理。然后选定某种锂离子电池为研究对象，在此基础上进行锂离子电池散热方案设计。

查阅文献资料，了解锂离子电池产生热量的机理，掌握测试锂离子电池热量来源及计算方法。

学习并利用COMSOL构建圆柱形锂离子电池水冷散热模型，进行仿真计算，验证方案的可行性。

以该模型为基础，通过模型参数的变化趋势和电池产热机理的对比分析，得出工作条件与温度分布的相互关系，以及水冷对传热和温度分布的影响。

锂离子电池的研究基础

锂离子电池的介绍

锂离子电池的结构

本文的研究对象是18650圆柱形锂离子电池，结构解剖图2.1。

锂离子电池一般由五个部分组成^[1]：

正极——以铝箔为基体，在上面涂覆一层活性物质。为了安全地实现锂离子的脱出和嵌入，正极材料需要有稳定的性能和结构。目前的正极材料主要有：金属氧化物、钒系正 极材料、有机多硫化合物等，本文需要选取含锂的化合物，常见的有锰酸锂（LMO）、磷酸铁锂（LFP）、钴酸锂（LCO）和镍钴锰酸锂（NCM）。这些正极材料各有优势，根据本设计的具体情况，选取镍钴锰酸锂（NCM）作为正极材料。

负极——负极材料需要提高对锂离子的嵌入和脱出能力且相对正极材料，要有较低的电势，一般分为碳材料和非碳材料。目前主要集中在石墨类（天然石墨、人造石墨和石墨化碳）和非石墨类（软碳和硬碳）。一般选用石墨或类似石墨结构的碳，本此设计选取人造石墨。

图2.1 圆柱状锂离子电池结构解剖图

隔膜——隔膜的主要作用是阻止电子的穿过保证离子能自由通过。所以隔膜是一层特殊成型的高分子多孔塑料薄膜，一般有聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、PP/PE/P-P复合等几种。本文选取的是聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯（PP/PE/PP）复合材料。

电解液——电解液一般由电解质锂盐、有机溶剂、添加剂等组成。他的作用主要是保证离子和电流在正负极之间的传递。常规锂盐是六氟磷酸锂，有较强导电性且对环境友好易处理。溶剂的作用是为了溶解电解液成分的锂盐，电解液应具有稳定的电化学性能（不与活性物质反应）、所以本次设计所选取的电解液是六氟磷酸锂（LiPF₆）。

外壳——作为保护锂离子电池内部材料不受损的电池外壳按材料主要分为钢壳、铝壳等等，铝壳材料构造安全性（材质厚度和鼓膨系数表示）相比钢壳要好且比较轻一般常用于方形电池。但圆柱状锂离子电池中一般使用钢质材料，是由于它的物理稳定性、抗压力能力远远好于铝制材料。

综上所述，本文选用的18650电池正极采用的是镍钴锰酸锂（NCM），负极为石墨，隔膜是聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯（PP/PE/PP）复合，六氟磷酸锂（LiPF₆）的电解液和钢壳。

锂离子电池的工作原理

图2.2 锂离子电池工作原理图

如图2.2，锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理^[1]。

当对电池进行充电时，电池正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，他有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越多。

同样道理，当对电池进行放电时，嵌入负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。

不难看出，锂离子电池的工作原理就是锂离子不断处于从正极到负极再到正极的运动状态。

锂离子电池的热效应

建立锂离子电池的热模型需要根据传热学理论中热平衡方程来明确锂离子电池的生热机理和传热理论

在式（2-1）中：——锂离子电池的单元密度

——锂离子电池的比热容

——锂离子电池的温度

——锂离子电池的生热速率

——锂离子电池的散热速率

锂离子电池的生热机理

锂离子电池在充放电过程中，由于在反应过程中的熵变会产生热量。热量包括副反应热、化学反应热、极化热和焦耳热^[5]。

在反应过程中产生的副反应热几乎为零。

化学反应热：在充放电过程中，锂离子和电子不断地嵌入和脱嵌，在这个不断地嵌入和脱出过程中，会有热量的产生。

在式（2-2）中：——活化比面积；

——局部电流密度；

——过电势。

理论上，在电池的可逆反应中，反应热大小相等、符号相反；但在实际反应时因为熵增会有极化热产生。

在式（2-3）中U、T为开路电压和温度。

焦耳热是电池内阻产生的热量，根据电池内部结构可分为固体焦耳热和液体焦耳热。

锂离子电池的总热量记为Q，可表示为：

锂离子电池传热理论

锂离子电池与外界环境温度不一样会导致两者之间有热量传递，根据传热学知识可以得知锂离子电池热量传递有热传导、热对流、热辐射^[15]。单体锂离子电池内部温度可能不是很均匀，热量会从温度高的部分向低的部分扩散，这个导热过程遵循傅里叶定律，式（2.6）。

式（2.6）中，q为热流密度，k为导热系数。

液冷电池模块与外界环境之间热量传递可以根据牛顿冷却定律，式（2.7）。

式（2.7）中，——对流传热系数；

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