纯电动汽车电池组热管理系统仿真与设计

1、装订线目录第一章 绪论21.1课题研究意义21.2电动汽车发展现状21.2.1 电动汽车发展历史21.2.2国外纯电动汽车的发展现状31.2.3 国内纯电动汽车的发展状况41.2动力电池发展现状4（1） 第一代动力电池：铅酸蓄电池5（2） 第二代动力电池：碱性电池5（3） 第三代动力电池：锂电池5（4） 第四代动力电池：质子交换膜燃料电池51.3电动汽车电池组热管理系统61.3.1蓄电池热管理的必要性及分类61.3.2电池组热管理系统的研究现状7图1.1 本田散热系统示意图71.4本文的研究内容、研究方法及研究意义8第二章 单体锂离子电池热特性研究82.1 锂离子电池内部构造与工作原理82.1

2、.1锂离子电池的优缺点分析82.1.2锂离子电池的分类及结构92.1.3锂离子电池工作原理102.2 锂电池的生热及传热机理分析112.2.1 锂电池的生热机理112.2.2锂离子电池传热机理122.3单体锂离子电池热特性分析142.3.1软件介绍14图3.2 各程序包之间的结构关系15图3.3 FLUENT工作流程图172.3.2单体18650型锂电池物理建模172.3.3锂电池生热速率的计算及数学模型182.3.2锂离子电池单体温度场仿真181C放电结果202c放电结果203c放电结果214c放电结果215c放电结果22不同放电倍率下电池温度差22第三章 锂离子电池组热管理系统的设计与仿真

3、233.1电池组温度场仿真分析233.1.1锂离子电池组建模23电池组实际装配图233.1.2网格划分253.1.3简化后的电池组建模及网格划分253.2各项参数及边界条件的设定261. 内部热源262. 各项参数设计26冷却液物理参数263. 边界条件263.3无液体冷却下电池组散热情况27电池表面最高温度311.2（k）及最低温度306.3（k）27内部热源最高温度312.6（k）283.4电池组热管理系统的结构设计与仿真283.4.1仿真前的准备28湍流模型的选择29求解控制器方式的选择30欠松弛因子的设置303.4.2电池组热管理系统散热性能仿真计算303.5介质流量对热管理系统散热效

4、果的影响313c放电倍率下入口流量为0.003kg/s时的温度分布图323c放电倍率下入口流量为0.03kg/s时的温度分布图323c放电倍率下入口流量为0.3kg/s时的温度分布图33不同入口流量情况下电池温度分布，单位（k）333.6不同放电倍率对热管理系统散热效果的影响332c放电情况下电池内部温度分布情况343c放电情况下电池内部温度分布情况35第四章 总结与展望364.1论文工作总结364.2研究展望36第一章 绪论1.1课题研究意义 在当今社会中，化石能源的严重消耗以及全社会对环境污染的高度重视使得人们必须在很短的时间内找到能够替代传统化石能源的新能源汽车，经过很长一段时间的发展，

5、汽车的动力来源已经从最初单一的化石能源发展为现在的包括众多新型能源的状态。在这些新型能源中，电力因为其成本低、污染低等优点成为了重点关注的对象。以电池作为汽车动力具有众多优点，但是其发展的局限性也是非常明显。电池的续驶里程、安全性等问题成为目前急需解决的问题。在电动汽车的运行过程中，由于电池组不断产生热量，如果没有良好的电动汽车热管理系统及时进行散热，就会在电池组内产生大量热积累，使得电池超出其正常的工作温度区间，产生安全隐患。因此在这种前提下，对电池组热管理系统的研究就显得至关重要。本文的研究选择一款社会中常见的电池组，对其热管理系统工作过程进行仿真与设计，探究其散热效果，对电池组热管理系统

6、的发展具有一定参考意义。1.2电动汽车发展现状1.2.1 电动汽车发展历史19世纪30年代到20世纪电动汽车的崛起从历史的角度来讲，事实上电动汽车的发展可以追溯到1832年到1839年间，由一位苏格兰商人研发出了第一款电动车。1842年，美国人托马斯-达文波特和苏格兰人罗伯特-戴维森研制出一款在当时来讲十分具有里程碑式意义的电动汽车。1865年，盖思顿-普兰特在法国研发出一款高性能蓄电池，16年后又有人改良了电池，奠定了电动汽车的发展基础。到了十九世纪末，美国经济发达，汽车已经逐渐成为当时人们的刚需。对于当时的美国来说，选择一款合适的电动汽车已经成为一种流行。由于电动汽车排放少，内部噪音小，操

7、作简洁等原因，在当时的美国社会已经远远超过需要不断添加水的蒸汽机汽车。相比起蓄电池的续驶里程，当时蒸汽机车的续航里程更短。但是随着内燃机汽车的发展，电动汽车的地位逐渐下降。20世纪20年代到80年代电动汽车发展停滞从20世纪20年代开始，电动汽车的发展进入停滞期，主要原因在于汽油价格的下降，内燃机汽车在各方面的性能都得到了不小的提升，因此在这段时间内，高昂的电动汽车逐渐被人们遗忘，取而代之的是高效廉价的内燃机汽车。20世纪80年代至今电动汽车发展的新篇章20世纪末，内燃机汽车发展达到饱和，人们意识到随着传统燃料的不断消耗，带来的污染问题和资源问题急需解决。因此在新能源汽车的发展中，电动汽车又被

8、重新重视，进入了重点研究的领域。电动汽车因其排放小，性能优等众多优点成为新能源汽车领域的佼佼者。因此，在这一时期，电动汽车正以高速的发展不断适应当前的社会要求。1.2.2国外纯电动汽车的发展现状 纯电动汽车的发展可谓一波三折，到现在，纯电动汽车的发展水平在全球范围来讲也是参差不齐。各个工业大国也都争先恐后地在电动汽车领域进行研究美国：美国是全世界汽车产业最发达的国家，他们对电动汽车的研究也经历了很长的过程。近年来，更是在纯电动汽车领域取得了技术和市场方面的长足进步。美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司在1991年签订协议，合作研究电动汽车的先进电池，联合成立了美国先进电池联合体。1993年，美

9、国克林顿政府设立了新一代汽车合作组织计划。2000年三大汽车公司陆续推出了各自的PNGV概念车。2004年通用与戴姆勒-克莱斯勒宣布携手开发混合动力电动汽车技术。PNGV计划在美国掀起了汽车技术合作的攻坚战。PNGV计划出台后，欧洲、日本纷纷效仿，各自确立了新一代汽车发展计划，从而引发了划时代意义的汽车技术革命。2002年，美国布什政府又制定了Freedom CAR计划，用于取代PNVG计划的新国家及私营合作研究发展计划。近期奥巴马政府又决定放弃对燃料电池的支持，转向为锂离子电池制造商提供财政拨款24亿。欧盟：德国政府十分重视环境保护问题，投入了大量资金用于电动汽车的开发，政府出面，由奔驰和大

10、众两公司合资成立德国汽车工业有限公司科研开发机构。1992年，德国政府拨款2200万马克，在吕根导建立欧洲电动汽车试验基地，对64辆电动汽车和电动汽车的系统工程进行了长达四年的大规模实验。法国既是石油输入国，也是电力大国。有多个核能发电站及丰富的电力资源，核能发电站的电力占全国总电力75%，电力价格低，石油价格是美国的四倍。因此，法国政府在政策上鼓励开发电动汽车和充分利用电力资源。法国政府、法国电力公司、标志-雪铁龙汽车公司和雷诺汽车公司共同签署了承担开发和推广电动汽车的协议。1.2.3 国内纯电动汽车的发展状况 我国汽车工业的起步较晚。但是在改革开放之后，一大批优秀的汽车企业逐渐涌现。在电动

11、汽车领域。经过三个五年计划之后，我国的电动汽车发展取得长足的进步。随着国内经济水平的增长，汽车逐渐成为普通百姓生活中的刚需，这样庞大的市场需求和国家政策引导下，大批的汽车企业开始进入电动汽车领域。 2001年，国家设立电动汽车重大科技专项，确定“三纵三横”战略，以燃料电池汽车、混动汽车、纯电动汽车为“三纵”，多能源动力总成控制系统、驱动电机及其控制系统、动力蓄电池及其管理系统为“三横”，拉开了国内电动汽车高速发展的帷幕。现如今，我国电动汽车整体水平进入国际领先行列，而在核心技术的电池和电机方面，我国也逐渐缩小与发达国家的差距，甚至在某些方面已经赶超，其发展速度让世界震惊。目前电动汽车存在着混合

12、动力电动汽车、插电池混合动力、燃料电池、纯电动等多种形式，但他们都受限于电池技术和充电技术的水平，存在着能量密度，续航能力，充电速度，充电站的建设等制约因素，目前混合动力电动汽车已经到了市场水平，几乎每个汽车厂都在研发中，价位也在市场能接受的水平。不仅如此，我国还出台了许多电动车方面的鼓励政策，有买车补贴，对电动汽车的发展有极大的促进作用。 到现在，国内以比亚迪为代表的众多电动汽车企业已经占据了一定的市场份额，电动汽车在公共交通方面也被证实有极大潜力。部分城市已经开始出现电动出租汽车、电动公交汽车等公共交通。在乘用车方面，比亚迪也有许多优秀的产品出现。因此，可以这么说，国内电动汽车现在正处于其

13、发展的黄金阶段。1.2动力电池发展现状电池发展的起步相对较早，但是因技术原因初期发展缓慢，在第二次世界大战后开始快速发展，并先后出现了碱性锌锰电池，镍镉电池等。最早是由一名外国科学家于20世纪中期提出采用有机电解液作为一次电池的电解质，毕竟考虑到环保因素，电池的研发重心开始转向蓄电池、锂电池和燃料电池。从最早使用的干电池到蓄电池，锂聚合物电池和燃料电池等的发展过程中，电池因在体积、能量密度、质量等方面的快速发展，已经有了很大的突破。不仅如此，电池的不断发展也是人们环保意识的体现。目前国内外动力电池的研发历史如下：（1） 第一代动力电池：铅酸蓄电池铅酸蓄电池以阀控式铅酸蓄电池为主，其优点是价格低

14、廉、放电性能良好、资源丰富且回收利用率高，在电动自行车、电动摩托上也有了广泛的应用。尽管已经大范围使用，但它还是存在一定的局限性，比如：内部的原材料铅是有污染的材料，不仅如此，它的质量比能量低，不能满足一些特殊路况的要求。（2） 第二代动力电池：碱性电池碱性电池主要有镍镉电池（Cd-Ni）和镍氢电池（MH-Ni），镍镉电池因为镉的污染已经被禁止用作动力电池。镍氢电池的能量密度高于蓄电池，现在广泛用在混合动力电动汽车（HEV）上，但是在电动自行车上的应用上缺乏市场竞争力，主要是因为价格问题。（3） 第三代动力电池：锂电池锂离子电池（Li-ion）因为其能量密度、使用寿命长、额定电压高、自放电率低

15、、高低温自适应性强，重量轻、绿色环保等优点，在电动汽车上应用广泛。但其也存在一些问题，如安全性差，不能大电流放电等，若能处理好锂电池的散热问题，将大有前景跟市场。（4） 第四代动力电池：质子交换膜燃料电池质子交换膜燃料电池（PEMFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）其特点是无污染，放电产物是，是真正的电化学装置。它是以或甲醇做为燃料，氧化剂为，直接将化学能直接转为电能的车载动力装置。而与前面提到的铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池则不同，他们只是电能的转换和储能装置。燃料电池发电的原理跟前面提到的电池原理不同，他本身是不能发出电能的，需要先对电池进行插电，然后将电能转化为化学能存在与电池的内部，

16、当电池工作时，化学能转化为电能输出作为车载动力。所以当前这类电池还需要消耗燃料发出的电能。燃料电池目前最经济，最环保，应该是车载动力电池的首选，但是要实现商业化生产还需要克服很多难题，比如价格较高，采用铂、铑等贵金属作为催化剂，燃料的储存、携带问题，以及使用寿命的问题。目前，纯电动汽车产业化的最大问题是一次充电的续驶里程、汽车的价格和使用成本，如何解决这些问题使得蓄电池的发展至关重要。对纯电动汽车来说，对蓄电池的要求主要如下：蓄电池的容量要足够大并且可实现深度放电，比能量和能量密度也要尽可能大。蓄电池的可接受充电电流也要大。目前，社会上使用较多的蓄电池种类大致如下：铅酸电池：铅酸电池的正极板上

17、的化学物质是二氧化铅（PbO2）,负极板上的活性物质为纯铅（Pb），电解液为硫酸的水溶液（H2SO4+H20）。铅酸电池的最大优点是内阻小，可输出大电流，故而被用作发动机的起动电源。但是其比能量及能量密度较低，寿命短且使用成本高。因此已经逐渐淡出主流发展方向。镍氢电池：电动汽车用镍氢（Ni-MH）电池也称为镍金属氧化物电池。其基本组成有：氢氧化镍正电极、储氢合金负极及碱性电解液（如质量分数为30%的氢氧化钾水溶液）。镍氢电池的循环寿命长，比功率大，并且因其环保性好被称为21世纪“绿色环保电源”。但是其使用成本较高，单体电池电压低，对环境温度要求较高。锂离子电池：锂离子电池是由二次锂电池发展而来

18、的。锂离子电池的负极活性物质是可嵌入锂离子Li+的碳（形成LixC)，正极活性物质是金属锂化物，如LiNiO2、LiCoO2等，电解质是非水性的有机溶液聚合物。电动汽车用锂离子电池按其正极材料的不同分类，主要有锰酸锂离子电池、磷酸锂离子电池、镍钴锂离子电池及镍钴锰锂离子电池等。相比于其他类型的蓄电池，锂离子电池的主要优点有电压高，循环寿命长，自放电小等。目前在实际中也得到了越来越多的应用。但是其主要缺点在与成本高，受温度影响大等。1.3电动汽车电池组热管理系统1.3.1蓄电池热管理的必要性及分类 蓄电池性能的发挥与蓄电池的温度有密切的关系。当蓄电池温度高时，可使蓄电池的活性增加，是能量得到更充

19、分的利用。但是，蓄电池长时间的工作在较高温环境下寿命会明显地缩短，当温度太高时，蓄电池还会出现严重损坏的现象，甚至引起爆炸，存在严重安全隐患。在低温状态下的蓄电池因为其内阻的增加，会降低蓄电池活性，使其放电能力下降，减小蓄电池实际可用容量。针对锂离子电池来说当在低温条件下充电时，蓄电池活性差，因此可用的锂离子数量减少，甚至造成其内部短路。因此，工作中的蓄电池必须时刻保持于适度的温度区间中。若是蓄电池工作的温度或工作温度的上升指数达到临界值后，电池就必须采取降温处理，及时通过风冷或水冷等方式保证电池的工作温度不超出一定区间内。若是蓄电池温控失去效用，就应立即切断电路，防止意外发生。 电动汽车电池

20、组热管理系统（BTMS，Battery Thermal Management System）采用对电池组实时温度的监控并通过一定控制方案对电池组温度进行控制，其工作的目标有三点：第一，使电池组随时处于适当工作温度区间内。温度太高时，系统及时对电池组散热，防止意外发生；温度太低是，对电池组进行升温处理，保证电池基本性能。第2、 系统随时保证单个电池之间温度不能有太大差距。尽量保证每单位电池释放热量的速率基本相同。第3、 当电池组在工作中，达到极限条件时，热管理系统能及时预警；而在正常状况下，处于节能的目的，自动调低散热功率。1.3.2电池组热管理系统的研究现状（1） 空气冷却系统 空气冷却作为最

21、常用的降温散热方法，一般可分为自然对流冷却和强制对流冷却两种方法。凭借自然风进行对流换热的方式称为自然对流冷却。这种方法成本低，布置难度小，但是换热能力有限。强制对流冷却一般通过风扇降温，这种方法可以解决电池组布置的局限性。空气冷却系统一般有并行通风和串行通风两种方式。1999年帕萨伦等人研究发现，前者的冷却效果明显优于后者。2010年，梁昌杰等人为改善串行通风的冷却能力，设计出三种不同的导流板。并发现其对电池组热管理均有正面意义。2012年，刘振军等人在某种现实存在的电池组结构的基础上进行改良。使得该电池组温差大幅减少，取得卓越成果。（2） 液体冷却系统空调冷却次级热交换器初级热交换器电池组

22、图1.1 本田散热系统示意图 图1.1所展示的是一套由日本本田于2002年设计的电池组散热系统。该系统将多种散热方式结合，包含液体、空调、空气等几种方法。当温度变化时，采用不同方法进行散热。 2011年，杰雷特等人选用8种方案研究蛇管冷却板冷却性能，发现单通道设计局限性很强。无法兼顾平均温度等温度场控制参数。（插图）因此不难看出，随着人们对电动汽车散热技术的关注度提升，各种各样不同尺寸，不同种类，不同散热方式的电池组应运而生。而电池组中电池的摆放、数量、结构也是大不相同。各大汽车品牌也研发了各式电池组及其热管理系统。（插图）总的来说，随着电动汽车产业市场需求的增大，各种各样的冷却系统在技术方面

23、都有了较大的革新，但是相比较空气冷却来说，液体冷却的研究要少很多。但是在目前来讲，电动汽车的性能要求逐渐提升，传统的空气冷却结构逐渐无法满足日益复杂化、密集化的电池组需要。甚至在某些情况下，空气冷却已经无法使得电池在一定的温度区间内稳定工作。因此，大力发展液体冷却就显得至关重要。1.4本文的研究内容、研究方法及研究意义本文首先介绍纯电动汽车发展现状，动力汽车电池发展现状以及电池组热管理系统发展现状。然后探究锂离子电池的结构及工作原理，研究其物理参数的计算方式。根据锂离子电池的工作原理，选择在市面上普遍使用的18650型锂离子电池所构建的电池组进行Fluent仿真分析，参考文献进行对比。通过改变

24、介质流量探究其对散热效果的影响。本文主要通过数学计算与Fluent仿真分析结合的方法，观察电池处于不同温度环境时的温度分布情况，并对其进行优化。热量在电池组内的堆积会导致一系列的严重问题，尤其是在电池组这样单体电池间彼此还需要承受热量的工作环境中。因此需要使电池组时刻处于合理工作温度范围内，以保障电池组良好的工作性能和使用寿命，降低危险发生的概率。本文研究锂离子电池单体物理特性以及电池组温度场分布，可以对电池组热管理系统设计提供部分参考意义。第2章 单体锂离子电池热特性研究本章将对锂离子电池单体在工作中所产生的一系列热行为进行分析探究。工作中的锂离子电池热行为相对复杂，产热机制较多，传热、散热

25、特性都会影响到电池单体是否处于适宜的温度范围内。在本文对电池组热管理系统的仿真部分也会使用到本章节相关内容。2.1 锂离子电池内部构造与工作原理2.1.1锂离子电池的优缺点分析 在如今的发展中，传统内燃机汽车噪声、污染、石油短缺等问题越来越突出，电动汽车的出现于发展已经成了不可阻止的趋势，动力电池也随之发展了起来，动力电池发展趋势也逐渐向高比能量，长使用寿命等方向努力。从2010年智能手机、平板电脑的出现开始，锂电池就开始进入市场，并保持一定的增长率销量逐年攀升，到2015年新能源汽车行业的兴起，锂电池的市场份额从2014年的14%增加到28%，增加了十个百分点。到2016年，锂电池的市场份额

26、又突破了73%，成为占据市场份额最多的电池。 相比较其他几种电动汽车蓄电池来讲，锂离子电池有着独特的优势，主要表现在： 1. 能量比比较高，能量密度高，相比较于铅酸电池来讲，是后者的6-7倍。2. 使用寿命长，通常情况下锂离子电池的使用寿命在6年以上，甚至有记录显示有可以使用10000次的情况存在。而且在使用1200次后，锂离子电池的容量依旧高于60%的额定容量。3. 自放电率低，就目前而言，锂离子电池的自放电率一般可达到1%/月以下，相比较镍氢电池来说，不足镍氢电池的1/20。4. 对温度的适应性强，可工作温度范围在-20-60间。在经过加工后，甚至可以在-45的恶劣环境下工作。5. 绿色环

27、保，在生产、使用、报废的整个过程中都不会产生有毒重金属。对比会产生大量有毒重金属的铅酸电池来讲，锂离子电池的环保性很好。 虽然锂离子电池优点众多，但是就目前的研究水平来说，锂离子电池依旧存在着一些缺陷。锂离子电池在使用的过程中，如果不能正确操作，就会有一定的安全隐患，甚至引发爆炸。著名的特斯拉汽车就曾经发生过锂离子电池板爆炸的事件。锂离子电池也存在长时间使用后容量减少的情况，不同于其他电池的地方在于，锂离子电池容量减少与充放电次数无关，其主要影响因素来源于温度。因此，未来锂离子电池的研究工作应着力于解决这些问题。2.1.2锂离子电池的分类及结构 随着锂离子电池近年来的飞速发展，其样式也是越来越

28、多。一般对于锂离子电池的分类方式包含以下几种：根据直观观察其形状，一般有圆柱形与方形两种。圆柱形锂离子电池采用缠绕式结构，而方形电池采用的则是层叠式结构。锂离子电池还可以根据其是否可充电分为两种，一次电池与二次电池。也可以根据其电解质的状态进行分类。例如液态电解质或聚合物电解质。在现有的研究中发现，采用聚合物作为电解质的的聚合物锂离子电池在很多方面明显优于采用液体电解质的液体电池。当锂离子电池中没有液体电解质时，电池会变得更加安全。而且相比于液态锂离子电池，采用聚合物作为电解质的锂离子电池的质量轻便，使用次数长。 本文使用的电池是在社会中广泛使用的18650型锂电池，以下对该型电池结构进行简单

29、介绍。（插图） 上图为18650型锂电池结构示意图 18650型电池，直径为18mm,高65mm,相比起家用的5号电池微大。一般被运用在工业上。在一些笔记本电脑或野外生存手电筒上均有广泛应用。18650型电池的理论寿命在1000次循环充电以上，具有非常良好的性能。一般情况下，18650型电池结构包括正负极、电解质、密封圈、外壳、底部隔圈等。并且每一颗电池都有一道安全阀，这是电池的重要防爆屏障。目前市面常见的2000-3000mAh的电芯内部正极材料已经从第一代的钴酸锂（LiCoO2）全面升级为镍钴锰（LiNi-Co-MnO2）。使得其安全性更好，使用寿命也有所延长。2.1.3锂离子电池工作原理

30、锂离子电池是一种二次电池，其工作过程就是在正极、负极之间不断的嵌入、脱离。电池由下面部分组成：1）负极，在放电的过程中发生氧化反应，负极材料多为碳材料；2）正极，在放电过程中发生还原反应，正极材料为金属氧化物，如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等；3）电解液，溶解正极金属离子， 给离子的移动充当运输介质；4）隔膜，为正极、负极提供离子隔离。通常用铝箔当做正极集流体，负极集流体一般是铜箔。下面以磷酸铁锂电池（）为研究对象：充电时，正极中的锂离子从磷酸铁锂金属氧化物的晶格中脱离出来，穿过电解质这一通道到达负极，并嵌入到负极的层状结构中；放电时，锂离子从碳材料的层状结构中脱离，穿过电解质到达正极，重新嵌入到

31、正极的晶格中，电极材料恢复原状。在这个过程中，重新返回到正极的离子数目越多，其放电容量越大，所以我们平时所说的电池容量其实就是放电容量。如下所示为磷酸铁锂电池的反应方程式：正极反应： （1）负极反应： （2）总反应式： （3）反应方程式（1）（3）说明，锂离子电池的原料可以是能电离出锂离子以及能嵌入锂离子的的化合物或者材料作为两个电极的。它的正极可以是锂的各种金属氧化物，如、尖晶石或等；负极材料多为碳素材料，比如石墨等等，因为这些材料结构特点，能够供给锂离子可以镶嵌及脱落的晶格。当充电的时候，外部电路的电流流向是从负极流向正极，对应的正极材料电离出锂离子，离子通过电解液，穿过隔膜，最后嵌入到碳

32、材料的晶格中。一般在正常放电中，锂离子的电离、不断的镶嵌以及从碳材料中脱落不会对晶格机构造成破坏，只会对晶格间距有一些影响，其化学结构也不会随着放电过程的进行变化，所以锂离子电池又叫做摇椅式电池；不仅如此，锂电池在工作过程中不会产生或留下金属的碎屑，因此避免了锂枝晶的产生，对锂电池的使用寿命以及安全性有很大的改善，所以锂离子电池才能有如此广阔的市场，并拥有着无法替代的地位。2.2 锂电池的生热及传热机理分析2.2.1 锂电池的生热机理锂电池在工作过程中的生热来源主要有四个方面，包含有反应热、电池内阻产生的焦耳热、电极表面的极化热以及副反应热。将锂电实际产生的热量定义为，则可以得到下列公式： （

33、4）1） 反应热：指的是锂电池在工作过程中，锂离子不断穿过电解液，在两个电极上镶嵌又脱落的过程中产生的热量。由于电池工作可逆，当充电时，这部分热量为负值，而在放电时其热量为正值。反应热的计算公式如下： （5）公式中，的单位是W；n表示电池的数目；m指的是电极的质量；Q表示的是电池在工作的过程中，电极上电化学反应生成的热量的总和；I指的是放电的电力大小，单位是A；M为摩尔质量，单位是；F代表的是法拉第常数，数值的大小为96484.5。2） 电池内阻所产生的焦耳热：指的是电池在工作过程中，电池内部材料因存在有电阻，在电流的作用下不断的产生热量，这部分的热量为标量，所以在工作过程中热量始终为正值。焦

34、耳热的计算公式为： （6）式中，的单位是W；I指的是工作时的电流，单位是A；指的是内阻，单位是。3） 电极表面的极化热：指的是当锂电池工作时，电池的两个电极表面会发生极化现象，即实际的电极电位偏离了平衡时候的电极电位的现象，这时，电池两端的平均端电压与开路电压相比会略有不同，而这部分压差所产生的热量就是电池的极化热。极化热的大小主要跟工作时的电流、环境温度、电池种类等因素有关，并且在充放电的末期，极化热产生的最多。因为极化热也是标量，所以在工作中这部分热量也都为正值。在处理极化热的方法中，大部分人选用的方法是采用虚拟等效的电池极化内阻产生的热量来代替。但实际上这个内阻是不存在的，只是人们为了研

35、究方便假定的。所以电池充放电时的生热量可以进一步表示为： （7）式中：，是锂电池的内阻。电池内阻与电池放电的深度之间存在函数关系，并且放电深度越大，其内阻也越大。电池内阻的大小会随着工作过程不断变化，这是由于电池内部的条件不断变化，如两个电极的活性、电解液的密度、浓度以及温度。根据电化学的相关知识可知，电池内阻遵循欧姆定律，但电池的极化内阻是与电池的电流密度相关的。在电池工作过程中，想要测量电池的极化内阻是很困难的，因为电池内阻与电池深度有很大的关系，因此，在这里采用另一种方法计算锂电池的极化热，该方法遵循的是Bernardi等人发现的电池生热的一种模型。这种方法是将极化热跟反应热都看成是不可

36、逆的反应热。所以，电池工作中的生热量可以化简为： （8）式中，为两者都算在内的总热。4） 副反应热：副反应热主要包括在自放电条件下引起的电极材料分解所产生的热量；电池在充放电末期因为过充电、过放电而产生的副反应热；在高温下电解液会分解而产生的热量。在实际计算中，因其自放电产生的热量以及电解液分解生成的热量太少而可以忽略。根据上面的介绍可以得到：锂电池在充电的时候其反应热为负值，而放电池的时候为正值，有此可知电池在放电的时候产生的热量要比充电时的生热量多，因此电池在充电后电池内部的温度分布会较为均匀一些。因锂电池在工作过程中是一个伴随热量流动的可逆反应，他在可逆反应中主要变现出来的是放热效应。其

37、中，电池的负极反应会有一些吸热效果，电池的正极表现出来的是大量的放热效果，对吸热。放热量进行矢量运算可得，锂电池的总体表现为放热。2.2.2锂离子电池传热机理锂离子电池在工作过程中的传热可以分为三类：热辐射、热传导及热对流。无论在任何条件下，电池热行为符合能量守恒定律：式中，表示电池生热，表示电池与环境换热，表示电池吸热。的体现方式通过以下表达电池温差的公式：上式中，代表电池单位质量，以为单位；代表电池单位比热，以为单位。在绝热条件下，值可视为零，简化后公式如下：1） 热辐射锂离子电池的传热过程中，通常在电池表面发生热辐射，体现公式如下：上述公式中，代表辐射功率，以为单位；代表热辐射率；的值为

38、，表示斯特潘-玻尔兹曼常数；和表示电池和周围温度，单位为。2） 热传导具有温度差的物体之间通过接触产生的热传递称为热传导。同种物体或不同物体间因直接接触产生的热传递均为热传导方式。在电池内，这种热传递方式是主要方式，分别出现在电池正、负极等结构中。所用公式如下：此处采用傅里叶定律来体现热传导。上式中，表示热流密度，以；为导热系数，以为单位；而温度梯度则用表示，单位是。3） 热对流在本文的研究中，由于电池在电池壳内与冷却液直接接触，依靠冷却液在电池表面的快速掠过带走电池热量以达到散热效果，因此会产生对流传热。这部分传热不能忽略。但是在锂电池内部，由于电解质流动缓慢，因此对流不明显。可以忽略。热对

39、流公式如下：热对流的计算借用牛顿公式，式中，表示以为单位的热流量，是对流系数，以为单位；表示面积，单位是；后两项表示壁面与流体温度，单位均为。在单体锂电池的热行为分析中，热辐射和热对流的影响较小，可忽略不计，主要受热传导影响。当电池的生热速度大于散热速度时，就会产生热积累。因此接下来，我们对单体锂离子电池进行物理建模和数学公式计算，并对其热特性进行仿真。2.3单体锂离子电池热特性分析2.3.1软件介绍1）Gambit介绍在本文的中，我们对电池单体和电池组的物理建模均使用Gambit软件。Gambit专门用作CFD的前处理软件包，主要用来模拟、生成网格模型。用它所生成的网格，有很多用途，不仅可以

40、用于多种CFD程序，同时还用于商用CFD软件。其主要功能包括：构造几何模型：Gambit自身拥有几何建模功能，一般只要模型不是很复杂，都可以直接在Gambit中进行建模。但面对十分复杂的CFD问题，尤其是三维CFD问题，就需要借用专用的CAD软件(比如ProE）来协助完成几何建模。Gambit能够运行使用计算的文件类型主要有ACIS、PARASOLID、IGES以及STEP等格式。还有，Gambit不仅具备一般CAD软件对实体形状的布尔运算功能，而且还可以生成虚体，并对之进行类似的合并和分割运算，这一功能在处理导入其它格式的CAD模型时显得尤为重要。划分网格：对于网格划分则是数值计算前处理中的

41、重中之重，Gambit软件提供了多种结构和非结构网格单元，对于二维流动来说，可以生成三角形和四边形网格，对于三维流动，则可生成四面体、六面体、楔形和金字塔型等网格；它还可以生成不连续网格，可变网格、滑移网格、混合网格等特殊网格；针对边界层的问题还可以生成专门的边界层网格。用户完全可以根据实际问题利用它自动完成网格划分的工作。除了自动化生成多种类型的网格外，它还有良好的自适应功能，能对网格进行细分和粗化。另外Gambit还可以直观的显示网格质量，使用户可以清楚的浏览网格单元畸变、扭曲、长宽比、光滑性等质量性能参数，并可根据需要对网格进行细化和优化，从而进一步保证CFD的计算网格质量。指定边界条件

42、：Gambit中包含有多种不同的边界，比如壁面边界、进口边界、对称边界等十多种边界条件，如果模型中同时存在流体区域和固体区域，或者是在动静联合计算下两个流体区域的运动不同，那么必须指定区域的类型和边界，将各区域区分开来。 通过以上三个功能Gambit可以产生出良好的前处理网格模型，并输出为mesh文件，为之后的计算做好了准备。基于Gambit绘制网格的通用性以及便捷性，以及和Fluent软件的接口的通用性，本课题研究也将使用该软件进行前处理。2）fluent介绍Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，只要涉及流体、热传递及化学反应等的工程问题，都可以用F

43、luent进行求解计算。Fluent软件包中主要有以下几个部分: Fluent-求解器；pre-PDF具有可移植文档格式的处理程序；Gambit-建立几何模型和生成网格的前处理程序；Tgrid-的作用是从已存在的边界网格中产生体网格的附加前处理程序；Other Programs-则是对从其他CAD/CAE软件包，如ANSYS、I-DEAS、NASTRAN、PATRAN等软件中输入的面网格或体网格进行转换、过滤的程序。图3.2 各程序包之间的结构关系Fluent软件的适用范围十分广泛，可以用来计算的流动类型有：1） 任意复杂外形的二维，三维流动。2） 可压缩与不可压缩流动。3） 定常、非定常流。

44、4） 无粘流、层流和湍流。5） 牛顿、非牛顿流体流动。6） 对流传热，包括自然对流和强迫对流。7） 热传导和对流传热相耦合的传热计算。8） 辐射传热计算。9） 惯性(静止)坐标、非惯性(旋转)坐标下中的流场计算。10） 多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子静子相互干扰问题的 混合面等问题。11） 化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型。12） 源项体积任意变化的计算，源项类型包括热源、质量源、动量源、湍流源和化学组分源项等形式。13） 颗粒、水滴和气泡等弥散相的轨迹计算，包括弥散相与连续项相耦合的计算。14） 多孔介质流动计算。15） 用一维模型计算风扇和换热器的性能

45、。16） 两相流，包括带空穴流动计算。17） 复杂表面问题中带自由面流动的计算。简而言之，FLUENT 适用于各种复杂外形的可压和不可压流动计算。利用FLUENT软件包解决问题时，通常要使用到三大部分软件：前处理软件、求解器、后处理软件。1） 前处理软件：其主要功能是对所研究的几何模型进行创建，并且对几何模型进行网格划分，可以使用的软件主要有GAMBIT、TGrid、prePDF、GeoMesh等等。其中GAMBIT主要用于网格的生成，它是FLUENT自主研发的前处理软件，可以直接生成供FLUENT使用的网格模型，它是一款拥有很强组合建模能力的专门前处理软件。TGrid的作用是已经存在的边界网

46、格里面生成体网格，工作方式为GAMBIT将生成的网格导入TGrid中，由TGrid进行进一步的网格划分。prePDF、GeoMesh也是前处理软件，他们是引入GAMBIT之前工序的前处理器，不过现在prePDF只要用在燃烧问题的研究中，而GeoMesh已经慢慢被GAMBIT替代。除此之外，FLUENT还配套了各类CAD/CAE软件包以及GAMBIT接口，因此在对复杂结构的建模中很大程度上增强了建模能力。2） 求解器：其是流体问题计算的核心，所有的计算都在这里完成。现在FLUENT版本不断更新，主要不断优化功能，比如导入前处理软件输出的网格模型、提供计算的物理模型、定义材料的特性、定义边界条件、

47、计算还有后处理。后处理软件：主要功用是当流体计算完成后，对结果进行处理，满足观察的要求。FLUENT中本身就带有较为强大的后处理功能，可以对结果进行图像显示、录像、生成计算报告等处理。除此之外，我们还可以通过专门的后处理软件Tecplot进行处理，这个软件可以进行函数图像绘制、输出二维图像、三维面图像以及三位体绘图，并且还有多种图形格式可用选择。当利用FLUENT解决问题时，需要对问题有个大概的了解，然后对问题进行分析，制定求解方案。其思路一般有以下几步：1） 确定计算目标：明确要通过FLUENT得到什么样的结果，如何使用这些结果，需要的模型精度是多少。2） 计算模型的选择：需要对求解的问题进

48、行物理模型以及数学模型进行概括以及简化，确定需要的计算域大小，在模型计算域内应要使用怎么样的计算域，模型使用二维还是三维、怎么样的拓扑才能满足问题。图3.3 FLUENT工作流程图3） 物理模型选择：因每一种物理模型都有对应的设置，因此在用FLUENT计算前，需要想好我们所用的物理模型。比如用层流模型还是湍流、稳态还是瞬态、是非有能量流动。4） 求解过程的确定：确定问题解决需要用到什么算法，是非需要添加其他参数，用不用调整收敛加速计算时间等等。解决以上问题，我们就对问题有了一个初步的认识，接下来就可以开始用fluent进行计算了。2.3.2单体18650型锂电池物理建模锂电池在正常工作的情况下

49、，电池内部会以一种固定的速率产生热量。其内部产生的热量通过热传导到达电池表面，然后热量通过自然对流或其他等形式散掉。但是因为锂电池的内部有很多层，并且每层的厚度有非常小，因此本次研究方法是将每层的生热量叠加起来，看作是一个内部均匀的发热体产热。于是电池的模型可以简化为由一个热源还有外壳组成的模型。18650型锂电池体积较小，内部结构复杂，包含正负极、电解质、密封圈等十余项。为方便分析，简化电脑计算过程，我们在建模过程中，选择对电池单体进行简化，仅包括外部壳体以及内部的一个热源，具体建模如图所示为简化计算，我们假定电池内部热源介质均匀，生热速率不变。2.3.3锂电池生热速率的计算及数学模型通常情

50、况下，考虑到锂离子电池结构复杂，我们为了简化计算，特做出如下假设：（1） 电池内介质均匀，在电池内部的材料的密度、比热容及导热系数不变（2） 电池在工作中过程中电流均匀（3） 电池材料比热容及导热系数恒定，不会随温度变化而变化。在计算生热速率时，我们选择伯纳迪先生于1985年与团队共同提出的计算模型，具体公式如下：该式中，U代表端电压，单位为V；I表示电流强度，单位为A；U0表示开路电压，单位为v；Vb表示电池体积，单位为m3。(U-U0)表示的是焦耳热部分，最后部分表示可逆反应热。根据上述假设，可以得到锂离子电池数学模型为：其中，右边前三项代表在三维坐标系中各方向的导热率，q表示单位体积的生

51、热速率。左边为单位体积电池在单位时间内的生热速率。 除了生热速率之外，比热容的大小也对电池内部温度分布有很大影响，因此在此提供比热容的计算方法，具体公式如下：在上式中，表示电池质量，单位；表示某材料比热容，单位；表示前述材料质量，单位。2.3.2锂离子电池单体温度场仿真物理建模完成后，我们就需要进行网格划分。网格划分我们同样在Gambit上进行。一般的网格形式我们在软件介绍时已经有过了解，在此处我们选择适应性较好的四面体网格对模型进行划分。划分后模型如下：模型划分完成后，就需要设置边界条件，我们认为内热源的材质是固体，边界是壁面边界，即WALL，电池壁面边界条件同样设置为WALL，设置完成后导

52、出MSH文件，准备进行Fluent仿真。因为在建模中我们采用mm为单位进行建模，因此在导入Fluent后无需对模型的单位进行换算。导入MSH文件后我们对网格进行检查，发现没有负网格后，进行下一步。检查完后，打开能量方程，设置电池内部材料参数，通过计算，选定电池比热容为，选定导热系数为，选定换热条件为自然通风，换热系数为。在对单体锂离子电池热特性进行仿真时，我们选择比较不同放电倍率下锂离子电池温度的分布变化，这是因为在电动汽车行驶过程中，经常需要改变电池放电倍率以实现短时间内对汽车加速或爬坡性能的提升。在这个过程中，电池会产生大量的的热。而当锂离子电池的温度超过40时，就会存在安全隐患，因此我们

53、选择对这一参数进行比较。1C放电结果在1C放电后，电池外壳表面最高温度307.9（k），电池外壳表面最低温度306.7（k），内部热源最高温度308.3（k），温差1.6（k）。2c放电结果在2c放电后，电池外壳表面最高温度313.1（k），电池外壳表面最低温度311.8（k），内部热源最高温度313.6（k），温差1.8（k）3c放电结果在3c放电后，电池外壳表面最高温度318.2（k），电池外壳表面最低温度315.4（k），内部热源最高温度318.9（k），温差3.5（k）。4c放电结果在4c放电后，电池外壳表面最高温度325.4（k），电池外壳表面最低温度321.3（k），内部热源最高温

54、度326.4（k），温差5.1（k）。5c放电结果在5c放电后，电池外壳表面最高温度336.2（k），电池外壳表面最低温度331.7（k），内部热源最高温度337.7（k），温差6（k）。不同放电倍率下电池温度差从上面的结果整理中我们能够得到，电池在不同电流放电的情况下，电池最终稳态时的温度都不相同。放电电流越大，其内部生热率越大，最终电池的温度就越大。根据相关文献表明，锂离子电池的理想工作温度应该处于298313（k）之间，因此我们可以看出，当锂离子电池单体放电倍率达到2c时，就基本达到了电池工作的极限范围，需要对电池进行散热处理，使其回到正常温度区间内。第3章 锂离子电池组热管理系统的设计

55、与仿真3.1电池组温度场仿真分析针对本文研究的特斯拉汽车电池组结构，锂离子电池在实际运用中是以成组联结的形式给电动汽车提供动力。在实际的特斯拉Model-s电动汽车中，电池板使用7104节18650型锂电池组成。在电池板中，这7104节电池被分成16组电池组板，每组444节电池。电池组板之间通过串联联结。因此在电池板中，单节电池之间的距离很小，相互之间会产生很大的热力学影响。因此，对电池组的热管理系统有很大的要求。3.1.1锂离子电池组建模根据于建新的论文指导，我们在对电池组进行建模时，选择以96节电池为一组，以交错的形式串并联排列在一起，采用8*12的结构，电池之间间隙2mm。在电池外部设计外壳包裹以提供冷却液的流动区域，这样的结构设计比较符合实际。电池组实际装配图在实际物理建模过程中，由于包含的电池数量巨大，因此忽略电池内部结构，仅保留电池内部热源作为散热区域，电池部分的建模如图：电池部分建模完毕后，需要开通流体域。针对电池的结构尺寸，我们对流体域外壳的尺寸规定如下：。外壳部