【《锂离子动力电池热特性与数值分析理论基础综述》2600字】

1绪论II锂离子动力电池热特性与数值分析理论基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u13670锂离子动力电池热特性与数值分析理论基础综述 119521.1锂离子电池的结构与工作原理 1179361.1.1锂离子电池的结构 1251.1.2锂离子电池的工作原理 2296711.2锂离子电池生热与传热分析 3278901.1.1锂离子电池生热机理 355991.1.2锂离子电池传热特性 5272911.3锂离子电池温度场的仿真分析理论基础 668621.3.1CFD基本控制方程 6266681.3.2CFD的基本求解过程 71.1锂离子电池的结构与工作原理1.1.1锂离子电池的结构根据锂离子电池外形的不同，可分为圆柱形、方形、软包形等多种类型，电池内部主要由正极、负极、隔膜、电解液和安全阀等构成。圆柱形和方形锂离子电池的结构分别如图2-1和2-2所示。和圆柱形一样，方形电池的盖子上也有一种经过特别处理的破裂阀，以避免因电池内部压力过高而造成的安全隐患。该阀门是电池的最后一道安全措施，当它被开启时，它将会起到保护作用，使电池停止充放电。方形锂离子电池的正负极片和圆柱形一样也是卷绕起来的，与方形MH-Ni或Cd-Ni电池的堆叠结构完全不同。不同的是，方形电池的正极柱是一种金属-陶瓷或金属-玻璃绝缘子，在阳极和外壳体之间起到了隔离作用。图2-1圆柱形锂离子电池图2-2方形锂离子电池的结构由于正极、负极、电解液的材质和加工方法的不同，导致了电池的特性和名字也各不相同。目前，钴酸锂（）是组成锂离子电池正极的主要材料，但也有少量的锰酸锂（）和镍酸锂（），通常将后两种材料命名为“锂锰电池”和“锂镍电池”。以磷酸铁锂（）作为正极材料的电池，是一种新型的锂离子电池，还有一种为三元锂（）电池，各电池的具体性能以及应用领域的对比如下表2-1所示。表2-1锂电池性能比较性能钴酸锂锰酸锂镍酸锂磷酸铁锂三元锂电压平台/V3.73.83.03.23.5最大充电电流/C0.7~130.7~111循环次数≥500≥300≥300≥2000≥500热失控温度/℃150250200270210原料成本很高低廉低廉低廉高环保含钴无毒有毒无毒含镍、钴安全性能差良好较好优秀较好适用领域中小电池动力电池、低成本电池制备困难动力电池、超大容量电源小电池、小型动力电池1.1.2锂离子电池的工作原理锂离子电池正极材料采用锂化合物、、和三元材料的，负极采用锂-碳层间化合物，电解液为有机溶液。典型的电池体系为： （2-1）在电池充电过程中，锂离子从正极物质中分离出来，流经电解液和隔膜后，嵌入阴极；而在放电的过程中，锂离子也会从负极分离出来，同样地流经电解液和隔膜后，嵌入正极。锂离子在电池充放电期间，在正极和负极之间来回移动，如图2-3所示。图2-3锂离子电池的工作原理以为例，其负极材料为石墨，而正负极的电化学反应为： （2-2） （2-3）总反应为： （2-4）锂离子电池中只有锂离子，没有金属锂的充放电工艺，因而从根本上解决了由于锂枝晶造成的电池循环性和安全的问题。1.2锂离子电池生热与传热分析1.1.1锂离子电池生热机理锂离子电池的生热过程比较复杂，当电池充放电时，由于电池阻抗的影响产生能量损耗，根据能量守恒原则，损耗的能量会以热能的形式呈现。目前将锂离子电池产生的热量用方程式表示，总热量主要由反应热、副反应热、焦耳热和极化热等组成，即： （2-5）（1）反应热反应热是由锂离子电池在充放电过程中的化学反应所形成，它在充电时会吸收热量，在放电时会释放热量。 （2-6）其中，I为充放电电流，单位A；Q为正负极发生化学反应时产生的总热量，单位kJ/mol；F为法拉第常数，通常为96484.5C/mol。（2）焦耳热电池内部存在电解液、隔膜等结构，当电流经过这些带有存储电阻的部件时，就会产生热，也就是焦耳热，在整个工作期间，它的数值都是正的。 （2-7）其中，Re为电池充放电时的内阻，单位Ω。（3）极化热在有电流流过的情况下，在电极板上会发生实际电极与平衡电极偏离的情况，即电极极化现象，而由电压压降产生的热量就是极化热，在整个工作期间，它的数值也是正的。 （2-8）（4）副反应热副反应热是电池充放电时，随之而来的热量，通常在过充、过放和自放电时发生，但通常副反应热较小，可以忽略。综上所述，锂离子电池工作时产生的总热量可进一步简化为： （2-9）其中，为电池的总内阻，单位Ω。上述为实验分析法来计算锂离子电池生热速率，目前在实际研究中，主要采用理论计算法。Bernardi等人以电池内部生热是稳定且均匀为前提，建立了一个理想生热速率模型，计算公式如下： （2-10）其中，q为生热速率，单位；为电池内核的体积，单位；和U分别为开路和工作电压，单位V；T为电池的工作温度，单位K；为温度影响系数，通常忽略不计。1.1.2锂离子电池传热特性电池在充放电时产生的热量Q主要由两部分组成：一部分为电池本身吸收的热量，另一部分为传递到外界与外界交换的热量，根据传热学物质运动的特点，传递途径主要有热传导、热对流和热辐射这三种方式。（1）电池本身吸收的热量： （2-11）其中，C为电池比热容，单位；M为电池质量，单位kg；为电池充放电前后温度差，单位K。（2）热传导物体内微观粒子发生热运动，热量从高温部分传递到低温部分，由傅立叶定律可知其公式为： （2-12）其中，q为热通量，单位；T为温度，单位K；x为热传递方向的坐标；为热导率，单位。（3）热对流热量主要由流体以及流体中温度各不同的部分之间产生的相对位移来传递，温差和流体流速等因素能影响对流换热效果，其公式为： （2-13）其中，q为热通量，单位；和分别为固体表面和流体的温度，单位K；h为传热系数，单位。（4）热辐射在超过绝对零度的温度下，物体会发出辐射能，一部分被自行吸收，另一部分以电磁波为媒介向外扩散。其中，以自身的热和与冷却水的对流换热为主，仅有少量的热辐射量，本文可以将其忽略。1.3锂离子电池温度场的仿真分析理论基础锂离子电池温度场的研究主要有三种方法：实验法、解析法和CFD（ComputationalFluidDynamics）仿真分析法。实验法的结果直观准确，但无法测量出电池内部温度的分布情况；解析法虽然可以计算出电池内部温度场的分布情况，但只适合电池结构简单的模型；CFD则利用计算机数值与图像显示技术，对流场进行了时间和空间的数值解的定量描述，从而实现对流场和温度场里参数的精确分析，适用性广且成本低。因此，本文采用CFD仿真分析法来求解锂离子电池的温度场分布，并以此进行散热系统的设计与优化。1.3.1CFD基本控制方程流体流动时均遵循三大基本定律：质量守恒、能量守恒和动量守恒定律。其控制方程如下： （2-14） （2-15） （2-16）其中，为水的密度；为拉普拉斯运算符；为流体的比热容；为冷却液的热导率；p为冷却液的压力；