【《锂离子电池热分析理论基础概述》3300字】

锂离子电池热分析理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u4142锂离子电池热分析理论基础概述 143141.1锂离子电池的内部结构及工作机理 1283491.1.1电池的内部机构 1178651.1.2电池的工作原理 2320591.2锂离子电池的产热机理 3135911.3锂离子电池的传热特性 4304901.4锂离子电池热仿真理论及分析方法 5101751.4.1温度场分析与基本理论 5223891.4.2锂离子电池热分析方法 7锂离子电池的内部结构与热特性是十分复杂的，为了后续研究成组的锂离子电池散热问题，需要首先了解其单体电池的组成、反应原理以及热仿真理论，建立单体电池热仿真模型，为下一步模组热分析做好准备，本章以三元锂18650圆柱电池为研究对象，从其结构、工作原理、产热模型、热分析理论进行分析。1.1锂离子电池的内部结构及工作机理1.1.1电池的内部机构一般市场上的圆柱形锂电池主要由正负极、电解质隔膜、电解液等组成，其中还包括有外壳、绝缘板与引线等辅助材料，结构示意图由下图1.1所示，多个单体通过串并联的形式构成所需动力源。图1.SEQ图3.\*ARABIC1锂离子电池内部结构图①正负极材料：一般是指那些能够在外部条件下能够自由的分离或者吸收锂离子的材料，他们一般分别具有高电势和低电势，正极一般为LiFePO4、LiCoO②隔膜：位置通常在正负极之间，能分开正负极两边的物质，实现正负极绝缘；同时也作为一个通道，能使得反应时的离子能自由进出，但又能隔离电子，有筛选与选择的作用。一般的隔膜材料构成为聚丙乙烯与聚乙烯的单独使用或者多层结合。③电解液：承载着反应中的锂离子，锂离子在其中流动，是反应快慢和安全与否的重要部分。一般为有机体系，及有机溶剂和矿物质盐等按照一定比例配制而成。④外壳：一般的外壳为硬壳，由钢、铝、镀镍铁等组成，顾名思义，起到外部保护与密封的作用。1.1.2电池的工作原理作为一种电化学电池，在实际的氧化还原反应中就是锂离子电池在两种材料之间的脱出和进入的过程，以钴酸锂电池为例，如图1.2，充电时，正极脱出锂离子并跑到负极，形成电势；放电时，在外部刺激下，聚集在负极的锂离子脱出又返回正极，从而实现充放电过程，其电池的容量则和负极材料所能接受到的锂离子数目的多少有关。并且可以观察到的是，当单位时间内锂离子运动的数量大时，说明充放电量也大，也会伴随着大量的热产生，造成其工作时的温升。图1.SEQ图3.\*ARABIC2锂离子电池反应原理图可逆反应的电化学反应方程式如下：正极：此过程表述为在充电时，锂离子离开正极，放电时则吸入锂离子。LiCoO（SEQ公式\*ARABIC1）Li（SEQ公式\*ARABIC2）负极：此过程表述与正极相反，充电吸入，放电脱出。6C+x（SEQ公式\*ARABIC3）Lix（SEQ公式\*ARABIC4）总体化学反应:Li1−x（SEQ公式\*ARABIC5） LiCoO（SEQ公式\*ARABIC6）1.2锂离子电池的产热机理锂离子电池工作时的化学反应会伴随着热量的产生，一般体内反应时的热量有四部分组成：电化学反应热Qr内阻热QjQp副反应生成热Qs设总发热量为QQ（SEQ公式\*ARABIC7）反应的正负值取决的充放电时的状态，一般副反应热在很极端的条件下才会产生，其数值一般也很小，因此可以在一般计算时可忽略。查阅文献可知，一般在电池正常运作时，发热量由极化反应热和内阻热构成，总发热量一般简化为:Qt=I2（SEQ公式\*ARABIC8）Rz1.3锂离子电池的传热特性锂离子电池在工作时会伴随着热量的产生与释放，由传热学的基本理论可知锂离子单体电池以至于模组的电池内部热量与外部进行传递时一般有三种形式，其传递方式如下图1.3所示。图1.SEQ图3.\*ARABIC3传热方式示意图①热传导:一般来说概括为电池内存在有不同的材料，不同材料之间存在温差，而电池中各个材料相互接触，由于其组成粒子在微观方面运动，从而从不同的导热材料传递到另一个导热材料，一般为高温区传递到低温区。总的来说，电池在反应时产生的热量，在电池的各个组成部分之间传递，传递到电池表面，形成热传导。用传热学中的傅里叶公式表示为:φ=Q（SEQ公式\*ARABIC9）式中φ为热流密度(W/㎡)，A换热面积（㎡），λ导热系数，dt②热对流：在此次设计中，热对流指的是外部的流体流到固体表面时，存在温差，从而实现热量传递，形成对流换热，温度通过流动的冷却介质得到释放。可用牛顿冷却公式计算：q=h（（SEQ公式\*ARABIC10）式中q为热流密度(W/m2);h对流换热系数，③热辐射:指的是自身带有温度的物体，以电磁波向外部传递能量。总的来说，锂离子电池在发生反应时，反应热通过热传导传递到电池表面，同时也有热辐射向外界传递热量，电池周围的冷却介质通过热对流再传递热量，从而实现热量的传递。然而因为一般情况下，热辐射的传热量所占比例较少，一般可以忽略。1.4锂离子电池热仿真理论及分析方法计算流体力学（CFD）是运用计算机对流体运动和传热方面进行数值模拟仿真的一种技术，基于流体力学、传热学、微分学等多学科理论，能对现有的各种流动与传热进行计算机模拟，通过CFD技术，能模拟不同模型下的流场变化情况，也能进行传热的分析，从而指导现实的设计与实践，也可运用于各种科学研究。CFD分析软件运用较为广泛的有Fluent、Star-CCM等，其中Fluent的功能较为全面，能同时针对湍流，层流，流固耦合，传热问题进行分析。本次毕业设计包含了空气流动与电池产热与传热，主要运用CFD技术对单体电芯生热情况，以及组成的模组的散热情况进行数值模拟分析，在借助各种三维软件，指导得到合适的设计。现对其仿真的一些基本理论与仿真方法进行介绍。1.4.1温度场分析与基本理论根据传热学的定义，电池的温度场分析开展的基础是基于导热微分方程以及相对应各种边界条件所组成的温度场分布热等效数学表达式，还要结合传热学中基本的能量守恒定律，牛顿流体定律，以及傅里叶定律等作为依据，从而构建电池内部的等效温度模型。对于圆柱形锂离子电池，其特点是其导热微分方程可以简化到柱面坐标系去进行计算，如图1.4所示。图1.SEQ图3.\*ARABIC4导热方程柱面坐标系得到的圆柱形锂离子电池数学模型如下：ρ（SEQ公式\*ARABIC11）式中:ρc为电池密度，Cc为比热容，T温度，t时间，λrCFD仿真时也需要去考虑其基本的控制方程，首先得满足牛顿三大基本定律，其中的能量守恒定律在上文温度场研究中建立的导热微分方程中得以运用。而考虑质量、动量守恒时，主要运用到了流体力学中的连续性方程、纳维斯托克斯方程以及湍流方程等，这些方程构成了CFD仿真分析的基本控制方程，同时在电池产热时，一般采用Boussinesq模型作为研究风冷散热时的环境因素，该模型在合理范围内只考虑温差对空气密度的影响。质量守恒方程为连续性方程的一般形式，表达式如下∂ρ（SEQ公式\*ARABIC12）上式中，ρ为密度（kg/m动量守恒方程（N-S）表达式如下：∂（ρu）（SEQ公式\*ARABIC13）∂（ρv）（SEQ公式\*ARABIC14）∂（ρw）（SEQ公式\*ARABIC15）上式中，u为速度矢量，η为动力粘度，p为流动单元体压力，Su、Sv能量守恒方程代表热量转移，表达式如下：∂（ρT）（SEQ公式\*ARABIC16）cp比热容（J/(kg∗K）;T为环境温度（K）；k为传热系数；1.4.2锂离子电池热分析方法本次设计的热分析方法