摘 要

第三次工业革命的推动下，新一代对能源的需求越来越大，对器械的后备能源需要越来越大，对设备的工作时间提出了新的挑战，电池寿命的提高和容量的扩大的需求更加紧迫，而性能较优的锂电池渐渐取代传统干电池，锂离子电池的续航能力的大小和温度的高低有直接的关系，弄清楚锂离子电池在充电过程中和放电过程中的发热和散热的情况很重要。本文在充放电过程中模拟空气冷却圆柱形14500锂离子电池。使用COMSOL软件对电池单元化学进行建模，对电池温度进行二维轴对称建模，两个模型通过产生的热源和平均温度耦合。使用COMSOL软件模拟锂离子电池在不同的传热系数，不同的充放电速率，不同的电流下，研究其工作一段时间的温度分布情况，并提出合理的建议使锂离子电池可以更长时间得工作。

关键词：14500型锂离子电池 COMSOL软件 温度分布模拟 热管理

Design and optimization of thermal management system for long-running lithium-ion battery

Abstract

The third industrial revolution, driven by a new generation of energy demand is growing, the equipment of the back-up energy needs more and more, the equipment working time put forward new challenges, battery life and capacity expansion More and more people's attention, and better performance of the lithium battery gradually replace the traditional dry batteries, lithium-ion battery life and the size of the level of temperature has a direct relationship, so the study of lithium-ion battery in the charging process and the discharge process The heat and heat is very important. This paper simulates air-cooled cylindrical 14500 lithium-ion batteries during charge and discharge. The battery cell chemistry was modeled using COMSOL software, and the cell temperature was modeled by two-dimensional axisymmetry. The two models were coupled by the generated heat source and the average temperature. The COMSOL software was used to simulate the temperature distribution of lithium ion batteries at different heat transfer coefficients, different charge and discharge rates and different currents. It was suggested that lithium ion batteries could work longer .

Key words: 14500 type lithium ion battery; COMSOL software; temperature distribution simulation; thermal management;

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 3

1.3 国内外发展现状 4

1.4 COMSOL Multiphysics 软件工作原理和方法 9

1.5 现有研究中的不足 10

第二章 锂离子电池的化学反应原理和传热特性 11

2.1 锂离子电池的结构 11

2.2 锂电池的产热原理 11

2.3 锂电池的产热量和产热速率 12

2.4 有限元模拟法研究介绍和锂离子电池的热管理系统 14

2.5 锂电池的传热计算 14

2.6 锂离子电池的温度特性 15

第三章 模型建立与结果处理 17

3.1 模型定义 17

3.2 建模说明 19

3.3 结果处理 20

3.4 总结 29

3.5 展望未来 30

参考文献 31

致谢 33

第一章 绪论

1.1 研究背景

第三次工业（科技）革命以来，人类对锂离子电池的需求量越来越大了，智能手机，电动汽车，航天设备，导航仪，智能手表，电动牙刷，蓝牙音箱，智能相机，笔记本电脑等电子设备无一例外的都使用锂离子电池，就连我们现在的电动车都开始放弃传统的铅酸蓄电池，慢慢转向锂电池^[1]。

为什么我们越来越多的需要锂电池而放弃传统的蓄电池呢？锂电池有它不可超越的五大优势!

第一点：相同型号的锂电池和普通碱性电电池，镍镉可充电电池比起来，锂电池的电压超出它们很多。要知道像智能手机，智能电脑这些精密仪器，轻薄是它们永恒的追求，一定会选择锂电池！而船用锂电池，自行车电池，轮椅锂电池，这些装备都有一个运输问题，很明显，空间小，质量轻才是它们的追求^[2]！

第二点：相同质量的锂电池所具有的能量远高于普通的铅酸蓄电池，我们常用的锂电池的能量密度大约在420-650Wh/kg，相当于5到6节普通电池。随着汽车发动机性能的提高，百公里加速时间越来越短，同时间内跑的路程越来越多，所以对电量的需求越来越大，所以储能密度高的锂电池在将来会越来越多^[3]。

第三点：习总书记十八大提出了节约环保，可持续发展！生产锂电池所用到的是磷酸铁锂，铜，铝，镍等元素，锂电池中的电解液主要成分是碳酸丙烯脂，六弗磷酸锂，碳酸二乙酯，五氟化磷，都是一些有机物，不含重金属，所以总体来说，锂电池清洁环保无污染，普通碱性电池所含有的重金属元素会使人痴呆和器官损坏，如果电池损坏了，泄漏的铅元素（对神经），汞元素（对肾脏），镉元素（对内分泌系统）都会产生影响，但是锂离子电池一点也没有。传统的电池所含有的重金属物质非常多，如果下雨天一颗普通电池发生了泄漏，方圆600立方米的水将无法饮用，如果一个人一天喝8杯水，约2升，一生3万天，不过6万升，还会污染一立方米的土壤，并且百年之内无法修复。最重要的是这些重

金属都很稀少，要知道元素的相对原子质量越大越稀少，这些重金属可以用于航空航天等更重要的场合，没必要浪费在普通电池中，所以发展锂电池势在必行^[4]!

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