摘 要

新能源危机与环境问题已成为目前人们最关注的问题，新能源汽车成为全球汽车产业发展主流的研究方向。因为锂电池具有较好的能量密度、安全性和循环性，所以锂离子电池可以满足电动汽车的需求。然而电池的使用性能、循环寿命和安全性能受到了电池温度的影响。所以控制好电池的温度是目前新能源汽车的关键技术之一。

本文研究了方形锂离子电池的生热及其传热原理，并运用Fluent软件分析了电池单体在自然对流条件下的温升。为了强化电池散热结构的散热能力，提高电池组的温度一致性，运用Fluent软件对电池组进行稳态的数值仿真计算，并从流体速度、电池排列方式、单体电池间距和放电倍率四个方面对电池组温度分布规律进行探究，通过分析表明，流体速度与电池组温度呈正相关，电池间距和放电倍率与电池组温度呈负相关 ，三角形排列方式降温效果最好。

关键词：电动汽车；方形锂离子电池；流体力学；热管理

Abstract

New energy crisis and environmental problems have become the most concerned issues at present, and new energy vehicles have become the mainstream research direction of global automobile industry development. Because lithium batteries have good energy density, safety and cycling, lithium ion batteries can meet the needs of electric vehicles. However, battery performance, cycle life and safety are affected by battery temperature. Therefore, controlling the battery temperature is one of the key technologies of new energy vehicles.

In this paper, the heat generation and heat transfer principle of square lithium ion battery were studied, and the temperature rise of single battery under natural convection was analyzed by Fluent software. To enhance the heat dissipation capacity of battery cooling structure, raise the temperature of the battery pack consistency, using the Fluent software to the battery pack for steady-state numerical simulation calculation, and the fluid velocity, spacing and arrangement, monomer battery discharge ratio of battery temperature distribution of the four aspects, through the analysis shows that fluid velocity and temperature of the battery were positively correlated, spacing and battery discharge ratio and negatively correlated to the temperature of the battery pack, triangle arrangement best cooling effect.

Key words: electric vehicle; Square lithium ion battery; Fluid mechanics; Thermal management

目录

第一章 绪论 1

1.1研究和背景意义 1

1.2单电池热模型研究现状 1

1.3电池组热管理系统研究现状 3

1.3.1气体冷却热管理系统研究现状 4

1.3.2液体冷却热管理研究现状 5

1.3.3相变冷却热管理研究现状 5

1.3.4热管冷却热管理研究现状 6

1.4本文主要研究内容 6

第二章 锂离子电池热特性的分析 7

2.1锂电池工作原理 7

2.2 锂电池的生热以及传热原理 8

2.2.1 动力锂电池的生热原理 8

2.2.2 锂电池传热机理 9

本章小结 10

第三章 锂离子电池热模型的建立 11

3.1 锂离子电池导热微分方程 11

3.2 锂离子电池热模型定解的确定 12

3.2.1初始条件 12

3.2.2边界条件 12

3.3锂离子电池热分析参数的确定 12

3.3.1平均密度 12

3.3.2比热容 13

3.3.3导热系数 13

3.3.4生热速率 14

本章小结 15

第四章 单体电池温度场数值分析 16

4.1 网格划分及仿真条件设置 16

4.1.1网格划分 16

4.1.2fluent仿真步骤设置 16

4.2放电倍率对电池温度分布的影响 19

4.3初始温度对电池温度分布的影响 20

本章小结 22

第五章 电池组温度场分析及仿真优化 23

5.1 电池组强制对流冷却模型温度仿真计算 23

5.1.1 电池组仿真模型的建立 23

5.1.2 黏性模型的选择 24

5.1.3 边界条件及求解器设置 25

5.1.4 仿真结果分析 26

5.2 电池组仿真结果分析及优化 27

5.2.1 流体速度对电池组温度的影响 27

5.2.2 电池排列方式对电池组温度的影响 28

5.2.3 单体电池间距对电池组温度的影响 29

5.2.4 放电倍率对电池组温度的影响 30

本章小结 31

第六章 结论与展望 33

参考文献 34

附录 36

致谢 37

第一章 绪论

1.1研究和背景意义

随着我国经济水平的快速发展，人民生活日益上升，汽车也就成为了人们普遍的交通工具。然而随着汽车保有量的增加，环保问题日益突出^[1]。汽车排放的CO、HC等有害气体不断的造成大气污染，所以新能源技术应运而生，电池技术已经成为了电动汽车发展的核心技术。

目前已知的电池类型有铅酸蓄电池，氢镍蓄电池，燃料电池及锂电池。其中锂电池具有能量密度高，较长的使用寿命等优点，目前已经成为了主流的动力电池^[2]。然而由于锂电池能量密度高，所以锂电池在释放能量的同时会产生大量的热，这些热量在电池组内部会造成局部温度分布不均匀，而单体电池在不同温度下有不同的性能，所以这影响了电池组的均一性，造成了局部性能下降，从而影响了整体的稳定性。因此对于动力锂电池的热管理就有了十分重要的意义。所以基于以上背景，我进行了本次课题的研究-车用动力锂电池的热管理模型设计及仿真。

1.2单电池热模型研究现状

对单电池热模型的研究集中于电池的生热机理和传热机理上，并且用数学模型对其进行描述，国外早在上世纪80年代就进行了研究。

1985年，Bernardi D以内部生热均匀为基础创建了生热模型^[3]，其热量分为两部分：一部分热量来自化学反应放热，另一部分热量来自内阻产生的欧姆热。其公式为：

（1）

其中I为电流，A;V为电池体积，;为电池平衡时的电动势，V;U为电池工作电压，V；T为电池温度，K。在此模型的基础上，发展了许多模型，并且按照不同的分类方法对其可以分为两类。

电池热模型按照几何结构，可以分为质量集中模型，一维模型，二维模型和三维模型。

（1）集中质量模型

1988年，Geraadine G.Botte等以/Ni型锂电池为对象进行了研究，他利用了集中质量模型，对锂离子电池热模型系统地进行了研究^[4]。

1999年，Said Al Hallaj等也对集中质量模型进行了研究，他们以索尼18350型电池为研究对象，通过分析发现当以低倍率放电时，电池的仿真温度与实验结果比较接近；而以高倍率放电时，仿真温度与实验结果有很大的区别。本实验证实了质量集中模型具有局限性^[5]。

2001年，Nobiru Sato等以锂离子电池为研究对象提出了新的电池热模型，此生热模型将电池内部的热量分为了四部分：电化学反应热，内阻产生的焦耳热，极化热以及副反应热^[6]。

2002年，Atsuhiro等将Bernardi D热模型作为基础，在此基础上研究了氧化钴锂电池在1C、2C等不同的放电状态下的温度变化情况^[7]。

（2）一维模型

2002年，Said Al Hallaj首次利用一维模型对大型的锂离子电池的温度分布情况进行了研究。

（3）二维模型

2002年，Mao-Sung Wu系统的对锂离子电池径向以及轴向的温度分布规律进行了研究。

（4）三维模型

Andreas Vlahinos研究了低温环境下锂电池的加热问题^[8].

按照生热原理，电池热模型可以分为电-热耦合模型，电化学-热耦合模型以及热滥用模型三大类。

（1）电-热耦合模型

电-热耦合模型主要用于研究电池外型，极耳，集流体等方面的问题，还能研究电池包热管理。

Dong等发现在高低放电倍率时的电池热量来源不同。在高放电倍率时，电池的热量来源主要是焦耳产热；在低放电倍率时，电池的热量来源主要是熵变产热^[9]。强制通风时虽然会降低电池组的整体温度，但是会加大电池之间的温度不均匀性。

Yazdanpour等研究发现，放电过程期间，电池不同部分的材料具有的电流密度的分布有一定差异。从放电初期到放电末期，随着活性物质被消耗，极耳附近的电流密度会越来越小，这样会加大电池内部温度的不均匀性。

Huria建立了锂离子电池一阶Thevenin等效电路模型，对电池恒电流放电过程进行了模拟，计算了电池瞬时生热速率和温度升高情况，发现该电池在恒定电流放电的情况下最大温升为16℃^[10]。

史男等人建立了圆柱形锂离子电池一阶TheveniIl等效电路模型^[11]，通过仿真发现，当电池充放电倍率增加时，电池内外的温差也会增加，这说明当电池充放电倍率太大时电池性能会显著降低。

（2）电化学-热耦合模型

电化学-耦合模型的主要作用是根据电池内部化学反应原理研究电池内部温度分布情况，其主要研究的是正常工作状态下电池的温度分布规律。

Chen^[12]等人建立了电池三维分层电化学-热耦合模型，此模型不再将电池看作是发热均匀的发热体，而是考虑了每层材料的产热，并且还考虑了电池包的排列方式、单电池的间距、电池的边界辐射换热和对流换热对电池产热的影响，所以此模型更符合真实情况下单体电池和电池包的温度分布。

（3）热滥用模型

热滥用模型主要用于锂离子电池产热不正常的情况，可以预测在某些极端条件下锂离子电池的温度变化情况。

许笑天等创建了锂离子电池的热滥用模型，仿真结果表明，副反应中的负极材料与电解液的反应生热量最多、最快且危害最大，控制这一反应的发生，有利于提高锂离子电池的热安全性^[13]。

赖鹏飞等建立了锂离子电池的三维非稳态热滥用模型，首次提出了电池热失控临界曲线的概念，对大功率电池组的借鉴具有重大意义。

1.3电池组热管理系统研究现状

电池组热管理系统是锂离子电池设计的另外一个核心组件，它用于调整电池组中锂离子电池单体在使用过程中的温度。对电池单体温度进行监控和管理，使之保持在最佳温度适用范围内，可以延长电池的使用寿命。热管理系统的原理图如下图所示。

图1.1 热管理系统原理图

热管理系统按照冷却介质分类主要分为以下四类：气体冷却、液体冷却，相变材料冷却和热管冷却。考虑到实用性和技术的完善度，现在市场上主流的冷却方式气体冷却和液体冷却。然而由于相变冷却和热管冷却设施简单，且污染少，能耗低，具有很大的市场潜力，多种冷却方式耦合也成为了目前的电池管理主流研究方向。

1.3.1气体冷却热管理系统研究现状

气体冷却是应用最广泛的冷却方式，其主要优点是结构简单，成本低，维修方便。而气体冷却又分为主动冷却和被动冷却。主动冷却是指冷却空气来自强制冷却装置，如风扇等；被动冷却是指冷却空气来自汽车行进时产生的迎面风。但是由于电动汽车对动力电池的工作环境要求高，所以当冷却方式为空气冷却时，冷却风一般从车舱内部引入。

陈果等人分析了空气流道对电池温度分布的影响，通过分析得知在一定条件下并联式流体通道的冷却效果要优于串联式流体通道的冷却效果^[14]。

图1.2 两种通气方式

Liwu Fan等人研究了方形锂离子电池的电池间隙以及冷却风的流量对电池温度分布的影响^[15]。通过分析得知，在冷却风的流量一定时，通过增大电池之间的间距会提高电池组的温度，但是温度均匀性会变好；电池间距一定时，增大冷却风的流量会降低电池组表面温度，并且温度均匀性也会变好。两侧的电池的温度比中间电池的温度高，只要增加中间电池的电池间距就会提高电池温度的均匀性。

Michael Giuliano等人研究了在流体通道内添加泡沫铝以改善对流换热面积以及对流换热系数来改善电池组温度分布^[16]。实验结果显示，在一定条件下，添加泡沫铝的电池组与不添加泡沫铝的电池组相比，在整体温度差上有所降低，并且电池包的最高温度不超过35℃。

1.3.2液体冷却热管理研究现状

在应用范围上，液体冷却是仅次于气体冷却比较广泛的冷却方式。液体冷却用到的介质一般有水、乙二醇混合物、矿物油或者制冷剂等等。冷却介质一般不与电池直接接触，而是有一定分离措施，比如用冷板或者管道隔开。液体冷却具有散热性能好，温差控制好的优点，但是其也有不足之处，比如成本高，能耗高，控制相对复杂，所以只是在高档电动车上比较常见。

张上安等人研究了关于液体介质流道对流动和传热的影响^[17]。通过分析计算得知冷板侧面双通道出、入口结构通道具有比较好的散热能力。

李世军研究了错列式平行流电池冷却换热系统，在大功率放电时，原有的冷却换热系统无法满足要求，针对以上问题，李世军将液冷扁管排列的更加紧密，仿真后的结果显示，同样的大功率放电倍率下，即使很小的冷却液流量也可以使电池组温度控制在适宜的温度范围内，电池表面最大温差2.3K小于5K,有比较好的温度均匀性^[18]。

1.3.3相变冷却热管理研究现状

相变冷却是利用相变材料（PCM）在吸热放热的过程中进行相变潜热的原理的冷却方式，其被认为是非常理想的冷却方式。应用于热管理的相变材料要满足以下条件：首先，材料热密度高，潜热量大；其次，导热率高，吸热放热过程迅速；再次，稳定性好，不容易分解以及与周边材料发生副反应，使用周期长，不会对系统造成不良影响；最后，价格低廉。

严佳佳设计了一种同时具备散热和隔热功能的新型PCM热管理系统，主要元件是复合板^[19]。对四种结构的热管理系统的性能进行了对比，通过对比发现电池间隙有复合板的电池组的散热能力和温度均匀性比较好，并且可以提高电池组的散热能力。

Zhonghao Rao等人对不同相变材料的导热率和熔融温度对单体电池以及电池组的影响进行了研究。研究结果表明，增加导热率以及降低熔融温度对电池组有较好的冷却效果，并且可以提高电池组温度的均匀性^[20]。

1.3.4热管冷却热管理研究现状

热管冷却是指利用热管内部的冷却液把电池组的热量带走的一种新型冷却方式。其具有导热性高，热流密度可变，优良的等温特性和环境适应性等优点。所以已经成为了电气设备散热的散热技术之一。

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