摘 要

近年来，我国一直致力于船舶智能化，绿色化方面的发展研究。动力电池在短途客运，轮渡以及景区浏览等船舶上的应用越来越广泛。另一方面，现在海洋污染严重，各国对于排放物的标准也在不断地提高，这使得船东公司不得不拿出更多地资金去购买更加先进的处理设备，然而随着电动船舶的发展，安全性越来越高，电动船舶以后将成为船东公司的首要购买对象。动力电池是整个电动船舶的核心，它的热安全以及效率一直是研究人员的重点项目。然而受动力电池材料，冷却形式，电池构造，电池的工作环境，工作时间，电池放置位置等影响，动力电池容易出现热量积累，缩短寿命，温度分布不均匀，甚至爆炸，起火等安全问题，因此，对于动力电池在各种情况下的工作状态的研究成为了动力电池热管理的重点。

对于动力电池工作状态的仿真结果，可以更好地帮助我们设计动力电池的结构，选择动力电池工作环境，管理人员管理电池，控制电池产热，提供了良好的策略指导。

本文分析了正常放电情况下，三种不同倍率放电电流状态下动力电池的发热情况。首先，从书本上学习动力电池基本的工作原理，构造出锂离子电池单体物理模型，分析了电池生热温度场，热量分布云图，产生热量的变化，建立了系统、全面的锂电池仿真分析。

本文的主要研究内容概括如下：

1.锂离子动力电池的热特性分析。通过学习动力电池的基础知识，熟悉基本工作原理，分析动力电池的产热情况，总结电池的生热规律。

2.锂离子电池组生热温度场仿真分析。首先介绍了各种冷却方式的优缺点，确定了本实验所使用的动力电池采用风冷的散热形式，建立了电-热耦合模型。最后，通过设置动力电池边界条件，模拟出动力电池不同倍率，不同工作时长的产热情况。

3.对比分析出最优的动力电池工作环境。通过比较动力电池的温度场模型，计算结果，选取最优工作环境。

关键字：动力电池热行为；生热温度场；热模型

ABSTRACT

In recent years, China has been committed to the development of ship intelligence and green development. Power batteries are used more and more on ships such as short-distance passenger transport, ferry and scenic spots. On the other hand, the current marine pollution is serious, and the standards for emissions are constantly increasing. This makes the shipowners have to pay more money to purchase more advanced processing equipment. However, with the development of electric ships, The safety is getting higher and higher, and the electric ship will become the primary purchase target of the shipowner company in the future. The power battery is the core of the entire electric ship, and its thermal safety and efficiency have always been the focus of researchers. However, due to the influence of power battery material, cooling form, battery structure, battery working environment, working time, battery placement position, etc., the power battery is prone to heat accumulation, shortened life, uneven temperature distribution, and even explosion, fire and other safety problems. The research on the working state of the power battery under various conditions has become the focus of thermal management of the power battery.

The simulation results of the working state of the power battery can better help us design the structure of the power battery, select the working environment of the power battery, manage the battery management, control the heat generation of the battery, and provide a good strategy guide.

This paper analyzes the heating of the power battery under three different rate discharge currents under normal discharge conditions. Firstly, learn the basic working principle of the power battery from the book, construct the physical model of the lithium ion battery, analyze the heat generation temperature field of the battery, the heat distribution cloud map, and generate the heat change, and establish a systematic and comprehensive lithium battery simulation analysis. .

The main research contents of this paper are summarized as follows:

1. Analysis of thermal characteristics of lithium ion power batteries. By learning the basic knowledge of the power battery, familiar with the basic working principle, analyze the heat production of the power battery, and summarize the heat generation law of the battery.

2. Simulation analysis of the heat generation temperature field of lithium ion battery. Firstly, the advantages and disadvantages of various cooling methods are introduced. The power-cooled form of the power battery used in this experiment is determined, and the electro-thermal coupling model is established. Finally, by setting the power battery boundary conditions, the power generation conditions of the power battery with different magnifications and different working hours are simulated.

3. Compare and analyze the optimal power battery working environment. By comparing the temperature field model of the power battery, the calculation results are selected, and the optimal working environment is selected.

Keywords: Power battery thermal behavior; heat generation temperature field; thermal model

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2动力电池热管理研究现状 1

1.3论文的主要研究内容 4

第2章 船用动力电池热特性分析 5

2.1锂离子电池的基本结构与工作原理 5

2.1.1锂离子电池的结构 5

2.1.2锂离子的工作原理 6

2.2锂离子电池的特点及分类 6

2.2.1锂离子电池的特点 6

2.2.2动力电池的产热机理 7

2.2.3本章小结 8

第3章 动力电池热特性建模分析 9

3.1基本建模方法分析 9

3.2电池体传热分析 9

3.3锂离子电池温度场仿真分析的目的 11

3.4几何模型构建和参数设置 11

3.4.1模型建立 11

3.4.2参数设置 13

3.5本章小结 14

第4章 锂离子动力电池组生热温度场仿真分析 15

4.1 锂离子动力电池冷却方式的选择 15

4.2不同放电倍率结果分析 15

4.3不同放电时长结果分析 17

4.4总结 18

第5章 总结及展望 19

5.1总结 19

5.2研究展望 19

参考文献 21

致 谢 22

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

在 21 世纪，人们对于生活上的物质需求也越来越广泛，而对于电子设备的需求在这方面更加明显，这使得照相机、手机以及笔记本电脑等生活上常用的电子设备得到更加迅速的提升。对于电子设备的核心电池提出更加高的标准：既要式电子设备工作时间更久，而又要兼顾体积不能太大，重量要变得更轻。

近几年来，动力电池在各个领域都有应用，大到电动船舶，通信网络的备用电源，小到手机，照相机的电池。由于动力电池重量轻，体积小的特点，它所需要安置的区域也没有特别的要求，所以锂离子电池将在21世纪成为新一代动力能源的领军者。

如今，大家增强了自身的环境保护观念，各国也出台了各种废弃物，废气的排放标准，所以海运业最近的经济效益并不是很景气，其实很大一部分的费用花销在处理柴油机燃烧产生的废气以及废物。所以最近大部分船东都对电动船舶产生了浓厚的兴趣。从经济利益的角度出发，电动船舶可以在废气污染方面节省一部分开支，并且电动船舶采用的是动力电池作为动力，它不会像燃烧那样剧烈，所以电动船舶产生的噪音也会变得极小，并且电动船舶在管理方面也优于使用其他动力的船舶。

对于电动船舶来讲，我们尚且还没有明确的概念，所以按照电动船舶的划分，电动船包括纯电动船、燃料电池船和柴电混合动力船。我们本文主要是研究纯电动船舶，锂离子电池作为动力电池。锂离子电池的寿命，与电池的工作环境，工作温度，放电倍率息息相关，原因是温度太高会导致电池的副反应加剧，降低锂离子电池的安全性，使锂离子电池有可能随时处于热失控状态。

1.2动力电池热管理研究现状

从1970年日本首先研究电池作为动力，主要目的是应用在电动汽车领域，经过45年的长久发展，现在动力电池的应用正在向船舶行业进军。使用动力电池驱动系统具有许多优于传统内燃机系统的优点。首先，电气设备相较于内燃机更加有效，更加容易操作，再由热力学中的第二定律可以知道内燃机转化效率存在一个上限，而动力电池的能量转化效率要远远高于内燃机的转化效率。其次，能够利用制动再生能量，而且配备有可充电电池的系统可以将由运动产生的动能转化为电能方式储存，从而提高能量效率。此外，电池安装允许系统取得随时间改变的能量，将效率最大化，而且不会导致轻微的能量损失。对于以后动力电池的发展越来越迅速，动力电池将成为新一代能源领域的领军者。

然而，对于动力电池的功率不断加大，体积的不断减小，动力电池的单位体积能量密度变大，出现了一些动力电池安全上的事故，比如爆炸、起火以及热失控等，动力电池在使用时操作不规范，过度充电，以及在使用时由于外部电线裸露的原因造成外部短路的情况发生，造成短时间大电流放电，或者在电池内部，因为碰撞，挤压等一系列原因造成隔膜破碎，使得电池内部短路，电池在环境温度过高的情况下，长时间大倍率放电，都很容易造成电池热失控现象发生，产生十分严重的后果。

电池的产热将不可避免地导致电池材料的温度急剧上升，特别是在极端条件或大功率下。在这项工作中，它可能在电池的正负材料和电解质等活性物质之间引起不可逆的电化学反应。在副反应中产生大量的热量，这导致电池泄漏，放气，冒烟等，并且在严重的情况下发生严重的燃烧。动力电池的自燃情况经常发生，动力电池的安全性再次受到关注。动力电池的自燃足以引起整个行业的警觉。随着大量造船厂涌入新能源，安全问题成为业界第一个冷水。这就是我们必须冷静思考的原因。

表1.1 2018年以来国内动力电池起火事故盘点

目前锂离子动力电池面临的主要问题是，伴随动力电池的功率增加，体积的不断减小，单位体积的能量密度增加，使得动力电池热失控几率呈上升状态。

（a）静态自燃 （b）行驶中自燃

（c）碰撞起火 （d）电动出租车行驶自燃

图1.1 动力电池安全事故

天气的温度也会影响到电动船舶的安全。

图1.2 2018年上半年动力电池起火事故

因此，有必要改进电池管理系统并增加电池组热管理模块。电池组可以在高温下有效风冷散热，电池组可在低温下快速加热，最大化电池组的充电和放电效率改善电池循环寿命，保证动力电池的安全性。

1.3论文的主要研究内容

通过仿真实验研究了纯电动船舶锂离子动力电池组的热管理系统。主要研究方法是通过ANSYS中APDL模块GUI操作，首先建立了物理模型，使用MESH功能网格化，设置边界条件，进行求解。本文的主要研究内容如下：

（1）从最基础的锂离子电池工作原理出发，分析了锂离子电池的正常工作状态下的产热原理，找到了各种产热速率的计算方法以及公式。

（2）分析锂离子动力单体各个部分材料的传热系数，对锂离子电池在正常工作情况下的一些参数进行简化。

（3）使用软件APDL模块，建立了动力电池单体物理模型，使用GUI中MESH功能进行网格化，并对其边界条件与工况条件进行了设定。

（4）仿真出不同倍率放电情况下的生热温度场，不同放电时长的生热温度场。

第2章 船用动力电池热特性分析

2.1锂离子电池的基本结构与工作原理

在电池正常工作运行期间，比如电压大小，温度高低，电流大小等参数会随时间变化。这些物理量之间存在着一定的关系，他们之间相互影响，相互制约。通过学习动力电池的基本原理，了解动力电池的基本工作过程，分析之后找出各个参数之间的关系，从而可以更真实地展示电池的工作本质，更合理地表示动力电池在放电期间的热特性。

2.1.1锂离子电池的结构

锂离子电池从结构上可分为：电池正极材料、电池负极材料、电解质、隔膜、外壳与电极引线。其结构的示意如下:

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