摘 要

随着交通运输需求的石油量越来越大，发展新能源势在必行，电动汽车、新能源和能源互联网是战略性新兴产业，三大产业的基础都是可充电电池，因此动力电池和储能电池将成为另一个大产业。同时，海运作为世界贸易与经济中最有效、最安全的也是最重要的运输服务手段，对新能源的需求也是日益增加。而对新能源的应用与推广而言，动力电池就是关键的制约因素之一。动力电池不仅影响设备的使用性能和经济性能，而且目前所使用的锂离子电池还存在燃烧和爆炸的隐患，因此，电池的安全问题已成为当前急需解决的焦点和热点。对动力电池的安全角度而言，电池的热管理系统就是十分重要的一环。在这样的需求下，良好的热管理系统是动力电池安全和稳定所必不可少的，为了确保电池工作在适宜温度内，需要设计正确的热管理方案。

本文通过对现有电池分类入手，对电池的组成材料与结构进行分析，同时对其产热原理进行了论述。同时在此基础上，对现有的电池热管理方式进行了分析，并对电池的热失控与蔓延展开了讨论。最后结合现有的热管理技术下，对船用动力电池的环境进行了电池热管理方案的分析与设计，并通过MATLAB对整体电池热管理系统逻辑进行了建立，对各种不同温度下热管理系统应进行的逻辑控制进行了分析与设计。

论文主要是通过对船舶动力电池热管理系统的主要逻辑的计算和布置，来深入了解船舶动力电池装置对热管理的需求。论文的研究就是通过这样的计算和设计来合理地分配动力电池的热管理需求，使得船舶最大化地利用有限的能源和避免能源浪费，实现节约能源，提高利用效率的效果。并在此基础上提高安全性，对船舶使用的安全进行保障。

关键词：船用动力电池；电池热管理系统；热失控；电池管理系统

1. Abstract

With the increasing demand for oil in transportation, it is imperative to develop new energy. Electric vehicles, new energy and energy Internet are strategic emerging industries, and the basis of the three major industries is rechargeable batteries. So power batteries and energy storage batteries will become another big industry. At the same time, shipping transportation as the most effective, safe and important means of transport services in the world trade and economy, the demand for new energy is also increasing. For the application and promotion of new energy, power battery is one of the key constraints. The power battery not only affects the performance and economic performance of the equipment, but also has the hidden danger of combustion and explosion. Therefore, the safety of the battery has become the focus and hot spot that needs to be solved urgently. From the point of view of the safety of power battery, the thermal management system of battery is a very important part. Under this demand, a good thermal management system is essential for the safety and stability of the power battery. In order to ensure that the battery works in the appropriate temperature, it is necessary to design a correct thermal management scheme.

In this paper, starting with the classification of the existing battery, the composition material and structure of the battery are analyzed, and the principle of heat production is discussed. At the same time, on this basis, the existing battery thermal management methods are analyzed, and the thermal runaway and spread of the battery are discussed. Finally, combined with the existing thermal management technology, the battery thermal management scheme is analyzed and designed, and the logic of the whole battery thermal management system is established by MATLAB. The logic control of thermal management system at different temperatures is analyzed and designed.

This paper is mainly through the calculation and arrangement of the main logic of the marine power battery thermal management system to deeply understand the demand of the marine power battery device for thermal management. The research of this paper is to distribute the thermal management requirements of power batteries reasonably through such calculation and design, so as to maximize the use of limited energy and avoid energy waste, so as to achieve the effect of saving energy and improving utilization efficiency. On this basis, the safety of the ship is improved and guaranteed.

Keywords：Marine power battery; battery thermal management system；thermal runaway； battery management system

目录

摘要I

AbstractII

第1章 绪论1

第2章 动力电池分类3

2.1 铅酸动力电池3

2.1.1 铅酸蓄电池的电极反应3

2.1.2 铅酸蓄电池充放电过程中的可逆热效应4

2.2 金属氢化物-镍电池5

2.2.1 金属氢化物-镍电池的电极反应5

2.3 锂离子动力电池5

2.3.1 锂离子电池的电极反应5

第3章 电池热管理的分类类型7

3.1 风冷式电池散热7

3.1.1 被动式与主动式7

3.1.2 串行通风与并行通风8

3.2 液冷式电池散热10

3.2.1 适用于船舶环境下的液冷式电池散热循环10

3.2.2 直接接触式与间接接触式冷却11

3.2.3 风冷式电池散热与液冷式电池散热效果的对比12

3.3 板式液冷系统12

3.3.1 单进单出式流道12

3.3.2多进多出式流道13

3.3.3 蛇形通道冷板13

3.4 基于相变材料的电池热管理14

3.4.1 相变材料电池热管理基本原理14

3.5 基于热管的电池散热14

3.5.1 热管冷却基本原理15

第4章 电池的热失控原理16

4.1 电池产热原理16

4.2 电池内部的化学反应16

4.2.1 SEI的分解16

4.2.2 电解液的分解17

4.2.3 正极分解17

4.2.4 负极与电解液反应17

4.3 电池的热负荷计算17

第5章 热失控蔓延机制18

5.1 热失控蔓延机理18

5.2热失控蔓延防控技术研究现状19

第6章 基于船舶环境的船用电池热管理20

6.1电池热管理布置方案20

6.2船用动力电池热管理控制逻辑21

第7章 结论23

致谢24

参考文献25

第1章 绪论

随着时代发展，同时为了响应政策的号召，新能源正在逐渐改变能源消费的结构。对船舶而言，动力电池作为新能源相比于传统柴油机更加清洁环保，也更加效率。然而，相比于传统柴油机，动力电池的工作环境要求更加苛刻。尤其是在温度方面，过低或过高的温度都会影响电池的寿命、工作效率、稳定性和可靠性，甚至会引起安全隐患。因动力电池一般部署在机舱，若电池过热引起失火，对整个机舱都会产生安全隐患并造成混乱。所以，电池的热管理系统是必不可少的。现有的对电池热管理方式大致分为空冷、液冷、相变材料（PCM）冷却、热管冷却、热电冷却等多种冷却方式，而本次课题针对船舶在航行过程中所处的环境，对船舶动力电池的热管理系统进行了分析和设计，以在航行过程中更加方便经济地满足船舶动力电池热管理的需求。

电池热管理自从出现至今已有30多年的历史，在近几十年来，随着新能源的快速发展，动力电池热安全问题也日益显现出来，并成为了制约电池发展的关键之一。1998年之前，由于电池只普遍使用于小型化设备，电池热管理的问题并不突出，到1999年，电池热问题开始进入大家视线，电池热管理相关工作逐渐开始系统化。最早与电池热管理有关的工作可以追溯到上世纪80年代。美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）与伊利诺理工大学（Illinois Institute of Technology，IIT）都将工作重点放在了电池热管理的研究上。2001年，Al-Hallaj与Selman等在IIT电池热管理技术的基础上，成立了专门解决电动车热管理问题的AllCell公司。随着时间的发展，电池热管理也逐渐形成了以下的几种技术^[1]：

1. 研究基于电池结构的耐温电池材料，包括耐高温材料以及低温电极材料、电解液材料等。
2. 以空气为介质的电池热管理系统。
3. 以液体为介质的电池热管理系统。
4. 基于相变传热介质/材料的电池热管理。
5. 热管、热电、冷板等其他基于制冷制热原理的热管理系统。
6. 上述两种或多种方式的耦合。

动力电池相比传统能源而言，更加清洁环保，能量密度也更大。现在越来越多的现代船舶在船上安装动力电池，在这种情况下，电池的安全问题便至关重要。2018年年底，我国第一艘超50米长的全电池推进客船在泰州靖江南洋船舶公司开工建造。该船舶动力电池采用磷酸铁锂，总容量高达2.28兆瓦，充电时间6小时，充满一次可以保证连续8个航次的运营。动力电池系统指用来给电动船舶的驱动提供能量的一种能量储存装置，由一个或多个电池包以及电池管理（控制）系统组成。动力电池系统设计要以满足船舶的动力要求和其他设计为前提，同时要考虑电池系统自身的内部结构和安全及管理设计等方面。电池热管理系统是从使角度出发，用来确保电池系统工作在适宜温度范围内的一套管理系统,主要由电池箱、传热介质、监测设备等部件构成。本次课题就电池温度的控制管理上，在船用环境的基础上，进行对动力电池热管理的设计。

1. 第2章 动力电池分类

动力电池是指作为动力来源的电源，根据使用材料的不同可分为铅酸动力电池、锂离子动力电池、镍氢动力电池等。不同种类的电池内部进行的化学反应不同，同时其单位体积的放电量与产热也不同。

1. 2.1 铅酸动力电池

铅酸蓄电池正极由二氧化铅组成，负极由海绵铅组成，其成分为铅与碳，电解液由稀硫酸溶液组成。铅酸电池由于其技术的成熟与低廉的价格以及安全性高受广大厂家与消费者的青睐，但由于其能量密度低，并具有一定的污染，传统的铅酸电池无法满足现有的需求。目前对铅酸蓄电池的改进方法由有改进电池结构，提高电池的比功率与比能量等。

1. 2.1.1 铅酸蓄电池的电极反应

铅酸电池的电极反应方程式为：

←充电 放电→

正极反应：

负极反应：

电池总反应：

从以上公式我们可以看出铅酸电池在放电时，无论是正极还是负极都会生成硫酸铅，同时电解液中的了H2SO4会不断消耗并生成水^[2]。

表2-1 铅酸蓄电池中有关物质的热力学数据^[2]

1. 2.1.2铅酸蓄电池充放电过程中的可逆热效应

首先，在热力学中，可逆热效应的表达公式为：

这个公式表明电池在充电或放电过程中，一定会发生吸热或放热的现象。对铅酸蓄电池来说，发生放电反应时吸热，发生充电反应时放热。根据式(2-3)，在已知电流反应中，根据表2-1可得铅酸蓄电池在充放电时产生的热效应。

根据公式可得，在标准情况（温度为℃或298.16K）下，铅酸电池的可逆热效应为

1. 2.2 金属氢化物-镍电池

金属氢化物-镍电池与铅酸电池不同，这是一种碱性蓄电池，其正极使用氢氧化亚镍，负极由贮氢合金材料所组成，电解质通常为氢氧化钾水溶液等。金属氢化物-镍电池与铅酸电池相比，更加环保，比能量也更高，具有重量更轻、体积更小等优点。

1. 2.2.1 金属氢化物-镍电池的电极反应

金属氢化物-镍电池的电极反应方程式为：

正极：

负极：

电池反应：

此处M为贮氢合金，MH为金属氢化物。从以上方程式可以看出，在充放电过程中，氢氧化钾溶液中的氢氧根离子与水都参加的电极的反应，但在整个电池中，电解液却没有任何的消耗和生成，且因电解液被电极与隔膜吸收，所以可以做到电池的全密封^[2]。

1. 2.3 锂离子动力电池

锂离子电池作为一种近年来广泛使用在便携式电子产品的电池^[3]，具有输出电压高、单位体积质量的能量密度大、循环寿命长、记忆效应不显著等许多优点。锂离子电池正极通常为锂的金属氧化物，例如LiCoO2、LiMn2O4等，负极一般为石墨碳，其电解液一般为锂盐与有机溶剂。

1. 2.3.1 锂离子电池的电极反应

锂离子电池由于其电极与电解液的种类繁多，其化学方程式也较为复杂，不过大致可归类为以下反应：

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