摘 要

随着电池技术的发展和对减少污染的需求，锂离子电池在交通工具上得到了日益广泛的应用，电动船舶有利于降低污染，是未来可能会进行推广的产品。然而电动船舶需要较大型的电池以满足储能和动力的需要，较大型的电池产热量会更高，对电池冷却系统提出了更高的挑战。

本文为电动船舶使用的方形锂离子电池组设计了水冷系统并使用COMSOL仿真软件进行了仿真。本文采用内部含有冷却液流道的冷板为电池组提供冷却。设计了两种冷却方案来进行比较和选择。方案一为每个冷板内各有五条从电池组一侧流入，另一侧流出的直线型流道，而方案二为每个冷板内各有两条从电池组中部流入，两侧流出的弯曲型流道，对相同冷却液流量下两种冷却方式的冷却效果进行了比较，结果表明采用方案二来进行冷却时电池组的最高温度和内部温差均较低，冷却效果较好。采用该方式进行进一步的研究，得出了电池组的温度分布，并根据温度分布，对水冷系统进行了优化设计，在温度较高的电池组中部添加了一块冷板并验证了优化设计的结果，电池组的最高温度和温差均有所降低。进行优化设计后，电池的最高温度和温差均有所降低。为了探究电池组工作条件与温度分布之间的关系，分别改变放电倍率、环境温度、冷却液流量以及流道的宽度来模拟电池在多种不同工作条件下的温度分布。

研究结果表明：电池组温度分布为中心较高，两侧温度较低。电池组的温度随着放电倍率的提高而快速上升，尤其在高放电倍率下上升的趋势更加明显。在过高的放电率下，电池组的温度将会上升到危险的程度。随着环境温度提高，电池组温度上升，但是温升和内部温差都有所下降。提高冷却液流量能够有效降低电池组的温度和温差，但是流量较高时，进一步提高流量的效果有限。

关键词：磷酸铁锂电池；热管理；水冷参数；方形锂离子电池

Abstract

With the development of battery technology and the growing need of reducing pollution, lithium–ion batteries are more widely used on electric vehicles. Electric ships are conducive to reducing pollution and are products that may be promoted in the future. However, electric ships need larger batteries to meet the needs of energy storage and power. The larger batteries will generate more heat, which poses a higher challenge to the battery cooling system.

This paper designs a water cooling system for the square lithium ion battery pack used in electric ships and uses COMSOL simulation software to simulate the temperature distribution of the battery. In this paper, a cold plate with a coolant flow channel inside is used to provide cooling for the battery pack. A linear flow path and a curved flow path that flows in from the middle of the battery pack and flows out on both sides are designed. The cooling effects of the two cooling methods under the same coolant flow rate are compared. The results show that the latter cooling method is used. The maximum temperature of the battery pack and the internal temperature difference are both low, and the cooling effect is good.And the water cooling system is optimized and verified based on the temperature distribution. After the optimized design, the maximum temperature and temperature difference of the battery are reduced. In order to explore the relationship between the working conditions of the battery pack and the temperature distribution, the discharge rate, ambient temperature and coolant flow rate were changed to simulate the temperature distribution of the battery under many different working conditions.

The results of the study show that the temperature distribution of the battery pack is higher in the center and lower in both sides. The temperature of the battery pack rises rapidly as the discharge rate increases, especially at high discharge rates. As the ambient temperature increases, the temperature of the battery pack rises, but the temperature rise and the internal temperature difference both decrease. Increasing the coolant flow rate can effectively reduce the temperature and temperature difference of the battery pack, but when the flow rate is higher, the effect of further increasing the flow rate is limited.

Key Words：Lithium iron phosphate battery；Thermal management；Water cooling parameters；Square lithium ion battery

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和目的 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究内容和预期目标 2

第2章 锂离子电池电化学-热耦合模型建立 3

2.1 锂离子电池的电化学模型 3

2.2 锂离子电池的热模型 5

2.2.1 锂离子电池的产热 5

2.2.2 锂离子电池的传热 5

2.3 使用仿真软件建立电池模型 7

第3章 无冷却状态下的电池温度模拟 8

3.1 电池的放电持续时间 8

3.2 电池温度的仿真结果 8

第4章 电池组的水冷仿真 10

4.1 建立电池散热模型并比较两种方案 10

4.1.1 建立两种散热模型 10

4.1.2 对两种模型散热效果进行比较并选择 11

4.2 各放电倍率下的电池温度 13

4.2.1 最高温度和最低温度与放电倍率的关系 13

4.2.2 电池单体之间的温度差 15

4.3 对散热进行改进 15

4.4 环境温度对电池温度分布的影响 18

4.5 冷却液流量对电池温度的影响 20

4.6 流道宽度对电池温度的影响 22

第5章 结论 23

参考文献.. 24

致 谢...... 25

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和目的

随着科学技术的不断进步和环境问题变得越来越严重，各国对交通工具的排放制定了更加严格的法规。电动交通工具得到了较快的发展和推广。近年，国际海事组织制定的公约提高了对船舶降低污染的要求，各个国家的航运业从业者也比以往更加看重船舶的节能减排性能，需要研发新的使用清洁能源的船舶来替代现有的化石能源轮船^[1]。使用锂离子电池提供动力的电动船舶相较于使用燃油的传统船舶有着诸多的优点，例如无污染，对环境友好，产生的噪音低，并且使用过程中产生的成本更加便宜。在部分领域，例如景区的观光游船和部分的豪华游艇上已经开始采用锂离子电池作为动力。并且船用锂离子电池拥有十分大的潜力，在今后可能会更加普及，并且将会被应用于各种更加广泛的领域，被应用于更加大型的船舶上。在内河的各种货运船舶，过江渡轮、工业用的拖船上，锂离子电池将会有更大的用武之地。除此之外，随着锂离子电池技术的不断成熟，其有希望凭借更高的能量密度等优点，取代已有船舶上使用的铅酸蓄电池。

已被成功地应用于新能源汽车上的锂离子电池具有能量密度高，可以使用较长时间等优点，因此也十分适合用于电动船舶。然而锂离子电池工作时产生大量的热，温度过高时会导致无法正常工作，甚至热失控，导致燃烧等危险。此前已经发生过多起电动汽车自燃的事故，引起了公众的关注，也带来了对锂离子电池安全性的担忧。因此提高电池的安全性，降低电池热失控的风险对于电动交通工具的推广是必要的。此外，动力电池组的温度过高会加速电池的老化，缩短电池组的寿命^[2]。因此为电池设计合理的冷却系统是必要的。随着动力电池技术的发展，锂离子电池的容量和功率都得到了很大提升，这也导致了电池的发热量上升，对热管理系统提出了更高的要求。对热管理系统进行研究，提出进一步加以改进的方案，有利于增强电动船舶的安全性，延长电池的使用寿命，降低能耗，满足锂离子电池的发展需求。