純電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)仿真與設(shè)計

1、裝訂線目錄第一章 緒論21.1課題研究意義21.2電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀21.2.1 電動汽車發(fā)展歷史21.2.2國外純電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀31.2.3 國內(nèi)純電動汽車的發(fā)展狀況41.2動力電池發(fā)展現(xiàn)狀4（1） 第一代動力電池：鉛酸蓄電池5（2） 第二代動力電池：堿性電池5（3） 第三代動力電池：鋰電池5（4） 第四代動力電池：質(zhì)子交換膜燃料電池51.3電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)61.3.1蓄電池熱管理的必要性及分類61.3.2電池組熱管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀7圖1.1 本田散熱系統(tǒng)示意圖71.4本文的研究內(nèi)容、研究方法及研究意義8第二章 單體鋰離子電池熱特性研究82.1 鋰離子電池內(nèi)部構(gòu)造與工作原理82.1

2、.1鋰離子電池的優(yōu)缺點分析82.1.2鋰離子電池的分類及結(jié)構(gòu)92.1.3鋰離子電池工作原理102.2 鋰電池的生熱及傳熱機理分析112.2.1 鋰電池的生熱機理112.2.2鋰離子電池傳熱機理122.3單體鋰離子電池熱特性分析142.3.1軟件介紹14圖3.2 各程序包之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系15圖3.3 FLUENT工作流程圖172.3.2單體18650型鋰電池物理建模172.3.3鋰電池生熱速率的計算及數(shù)學模型182.3.2鋰離子電池單體溫度場仿真181C放電結(jié)果202c放電結(jié)果203c放電結(jié)果214c放電結(jié)果215c放電結(jié)果22不同放電倍率下電池溫度差22第三章 鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

3、233.1電池組溫度場仿真分析233.1.1鋰離子電池組建模23電池組實際裝配圖233.1.2網(wǎng)格劃分253.1.3簡化后的電池組建模及網(wǎng)格劃分253.2各項參數(shù)及邊界條件的設(shè)定261. 內(nèi)部熱源262. 各項參數(shù)設(shè)計26冷卻液物理參數(shù)263. 邊界條件263.3無液體冷卻下電池組散熱情況27電池表面最高溫度311.2（k）及最低溫度306.3（k）27內(nèi)部熱源最高溫度312.6（k）283.4電池組熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真283.4.1仿真前的準備28湍流模型的選擇29求解控制器方式的選擇30欠松弛因子的設(shè)置303.4.2電池組熱管理系統(tǒng)散熱性能仿真計算303.5介質(zhì)流量對熱管理系統(tǒng)散熱效

4、果的影響313c放電倍率下入口流量為0.003kg/s時的溫度分布圖323c放電倍率下入口流量為0.03kg/s時的溫度分布圖323c放電倍率下入口流量為0.3kg/s時的溫度分布圖33不同入口流量情況下電池溫度分布，單位（k）333.6不同放電倍率對熱管理系統(tǒng)散熱效果的影響332c放電情況下電池內(nèi)部溫度分布情況343c放電情況下電池內(nèi)部溫度分布情況35第四章 總結(jié)與展望364.1論文工作總結(jié)364.2研究展望36第一章 緒論1.1課題研究意義 在當今社會中，化石能源的嚴重消耗以及全社會對環(huán)境污染的高度重視使得人們必須在很短的時間內(nèi)找到能夠替代傳統(tǒng)化石能源的新能源汽車，經(jīng)過很長一段時間的發(fā)展，

5、汽車的動力來源已經(jīng)從最初單一的化石能源發(fā)展為現(xiàn)在的包括眾多新型能源的狀態(tài)。在這些新型能源中，電力因為其成本低、污染低等優(yōu)點成為了重點關(guān)注的對象。以電池作為汽車動力具有眾多優(yōu)點，但是其發(fā)展的局限性也是非常明顯。電池的續(xù)駛里程、安全性等問題成為目前急需解決的問題。在電動汽車的運行過程中，由于電池組不斷產(chǎn)生熱量，如果沒有良好的電動汽車熱管理系統(tǒng)及時進行散熱，就會在電池組內(nèi)產(chǎn)生大量熱積累，使得電池超出其正常的工作溫度區(qū)間，產(chǎn)生安全隱患。因此在這種前提下，對電池組熱管理系統(tǒng)的研究就顯得至關(guān)重要。本文的研究選擇一款社會中常見的電池組，對其熱管理系統(tǒng)工作過程進行仿真與設(shè)計，探究其散熱效果，對電池組熱管理系統(tǒng)

6、的發(fā)展具有一定參考意義。1.2電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 電動汽車發(fā)展歷史19世紀30年代到20世紀電動汽車的崛起從歷史的角度來講，事實上電動汽車的發(fā)展可以追溯到1832年到1839年間，由一位蘇格蘭商人研發(fā)出了第一款電動車。1842年，美國人托馬斯-達文波特和蘇格蘭人羅伯特-戴維森研制出一款在當時來講十分具有里程碑式意義的電動汽車。1865年，蓋思頓-普蘭特在法國研發(fā)出一款高性能蓄電池，16年后又有人改良了電池，奠定了電動汽車的發(fā)展基礎(chǔ)。到了十九世紀末，美國經(jīng)濟發(fā)達，汽車已經(jīng)逐漸成為當時人們的剛需。對于當時的美國來說，選擇一款合適的電動汽車已經(jīng)成為一種流行。由于電動汽車排放少，內(nèi)部噪音小，操

7、作簡潔等原因，在當時的美國社會已經(jīng)遠遠超過需要不斷添加水的蒸汽機汽車。相比起蓄電池的續(xù)駛里程，當時蒸汽機車的續(xù)航里程更短。但是隨著內(nèi)燃機汽車的發(fā)展，電動汽車的地位逐漸下降。20世紀20年代到80年代電動汽車發(fā)展停滯從20世紀20年代開始，電動汽車的發(fā)展進入停滯期，主要原因在于汽油價格的下降，內(nèi)燃機汽車在各方面的性能都得到了不小的提升，因此在這段時間內(nèi)，高昂的電動汽車逐漸被人們遺忘，取而代之的是高效廉價的內(nèi)燃機汽車。20世紀80年代至今電動汽車發(fā)展的新篇章20世紀末，內(nèi)燃機汽車發(fā)展達到飽和，人們意識到隨著傳統(tǒng)燃料的不斷消耗，帶來的污染問題和資源問題急需解決。因此在新能源汽車的發(fā)展中，電動汽車又被

8、重新重視，進入了重點研究的領(lǐng)域。電動汽車因其排放小，性能優(yōu)等眾多優(yōu)點成為新能源汽車領(lǐng)域的佼佼者。因此，在這一時期，電動汽車正以高速的發(fā)展不斷適應(yīng)當前的社會要求。1.2.2國外純電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀 純電動汽車的發(fā)展可謂一波三折，到現(xiàn)在，純電動汽車的發(fā)展水平在全球范圍來講也是參差不齊。各個工業(yè)大國也都爭先恐后地在電動汽車領(lǐng)域進行研究美國：美國是全世界汽車產(chǎn)業(yè)最發(fā)達的國家，他們對電動汽車的研究也經(jīng)歷了很長的過程。近年來，更是在純電動汽車領(lǐng)域取得了技術(shù)和市場方面的長足進步。美國通用、福特、克萊斯勒三大汽車公司在1991年簽訂協(xié)議，合作研究電動汽車的先進電池，聯(lián)合成立了美國先進電池聯(lián)合體。1993年，美

9、國克林頓政府設(shè)立了新一代汽車合作組織計劃。2000年三大汽車公司陸續(xù)推出了各自的PNGV概念車。2004年通用與戴姆勒-克萊斯勒宣布攜手開發(fā)混合動力電動汽車技術(shù)。PNGV計劃在美國掀起了汽車技術(shù)合作的攻堅戰(zhàn)。PNGV計劃出臺后，歐洲、日本紛紛效仿，各自確立了新一代汽車發(fā)展計劃，從而引發(fā)了劃時代意義的汽車技術(shù)革命。2002年，美國布什政府又制定了Freedom CAR計劃，用于取代PNVG計劃的新國家及私營合作研究發(fā)展計劃。近期奧巴馬政府又決定放棄對燃料電池的支持，轉(zhuǎn)向為鋰離子電池制造商提供財政撥款24億。歐盟：德國政府十分重視環(huán)境保護問題，投入了大量資金用于電動汽車的開發(fā)，政府出面，由奔馳和大

10、眾兩公司合資成立德國汽車工業(yè)有限公司科研開發(fā)機構(gòu)。1992年，德國政府撥款2200萬馬克，在呂根導(dǎo)建立歐洲電動汽車試驗基地，對64輛電動汽車和電動汽車的系統(tǒng)工程進行了長達四年的大規(guī)模實驗。法國既是石油輸入國，也是電力大國。有多個核能發(fā)電站及豐富的電力資源，核能發(fā)電站的電力占全國總電力75%，電力價格低，石油價格是美國的四倍。因此，法國政府在政策上鼓勵開發(fā)電動汽車和充分利用電力資源。法國政府、法國電力公司、標志-雪鐵龍汽車公司和雷諾汽車公司共同簽署了承擔開發(fā)和推廣電動汽車的協(xié)議。1.2.3 國內(nèi)純電動汽車的發(fā)展狀況 我國汽車工業(yè)的起步較晚。但是在改革開放之后，一大批優(yōu)秀的汽車企業(yè)逐漸涌現(xiàn)。在電動

11、汽車領(lǐng)域。經(jīng)過三個五年計劃之后，我國的電動汽車發(fā)展取得長足的進步。隨著國內(nèi)經(jīng)濟水平的增長，汽車逐漸成為普通百姓生活中的剛需，這樣龐大的市場需求和國家政策引導(dǎo)下，大批的汽車企業(yè)開始進入電動汽車領(lǐng)域。 2001年，國家設(shè)立電動汽車重大科技專項，確定“三縱三橫”戰(zhàn)略，以燃料電池汽車、混動汽車、純電動汽車為“三縱”，多能源動力總成控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)、動力蓄電池及其管理系統(tǒng)為“三橫”，拉開了國內(nèi)電動汽車高速發(fā)展的帷幕?，F(xiàn)如今，我國電動汽車整體水平進入國際領(lǐng)先行列，而在核心技術(shù)的電池和電機方面，我國也逐漸縮小與發(fā)達國家的差距，甚至在某些方面已經(jīng)趕超，其發(fā)展速度讓世界震驚。目前電動汽車存在著混合

12、動力電動汽車、插電池混合動力、燃料電池、純電動等多種形式，但他們都受限于電池技術(shù)和充電技術(shù)的水平，存在著能量密度，續(xù)航能力，充電速度，充電站的建設(shè)等制約因素，目前混合動力電動汽車已經(jīng)到了市場水平，幾乎每個汽車廠都在研發(fā)中，價位也在市場能接受的水平。不僅如此，我國還出臺了許多電動車方面的鼓勵政策，有買車補貼，對電動汽車的發(fā)展有極大的促進作用。 到現(xiàn)在，國內(nèi)以比亞迪為代表的眾多電動汽車企業(yè)已經(jīng)占據(jù)了一定的市場份額，電動汽車在公共交通方面也被證實有極大潛力。部分城市已經(jīng)開始出現(xiàn)電動出租汽車、電動公交汽車等公共交通。在乘用車方面，比亞迪也有許多優(yōu)秀的產(chǎn)品出現(xiàn)。因此，可以這么說，國內(nèi)電動汽車現(xiàn)在正處于其

13、發(fā)展的黃金階段。1.2動力電池發(fā)展現(xiàn)狀電池發(fā)展的起步相對較早，但是因技術(shù)原因初期發(fā)展緩慢，在第二次世界大戰(zhàn)后開始快速發(fā)展，并先后出現(xiàn)了堿性鋅錳電池，鎳鎘電池等。最早是由一名外國科學家于20世紀中期提出采用有機電解液作為一次電池的電解質(zhì)，畢竟考慮到環(huán)保因素，電池的研發(fā)重心開始轉(zhuǎn)向蓄電池、鋰電池和燃料電池。從最早使用的干電池到蓄電池，鋰聚合物電池和燃料電池等的發(fā)展過程中，電池因在體積、能量密度、質(zhì)量等方面的快速發(fā)展，已經(jīng)有了很大的突破。不僅如此，電池的不斷發(fā)展也是人們環(huán)保意識的體現(xiàn)。目前國內(nèi)外動力電池的研發(fā)歷史如下：（1） 第一代動力電池：鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池以閥控式鉛酸蓄電池為主，其優(yōu)點是價格低

14、廉、放電性能良好、資源豐富且回收利用率高，在電動自行車、電動摩托上也有了廣泛的應(yīng)用。盡管已經(jīng)大范圍使用，但它還是存在一定的局限性，比如：內(nèi)部的原材料鉛是有污染的材料，不僅如此，它的質(zhì)量比能量低，不能滿足一些特殊路況的要求。（2） 第二代動力電池：堿性電池堿性電池主要有鎳鎘電池（Cd-Ni）和鎳氫電池（MH-Ni），鎳鎘電池因為鎘的污染已經(jīng)被禁止用作動力電池。鎳氫電池的能量密度高于蓄電池，現(xiàn)在廣泛用在混合動力電動汽車（HEV）上，但是在電動自行車上的應(yīng)用上缺乏市場競爭力，主要是因為價格問題。（3） 第三代動力電池：鋰電池鋰離子電池（Li-ion）因為其能量密度、使用壽命長、額定電壓高、自放電率低

15、、高低溫自適應(yīng)性強，重量輕、綠色環(huán)保等優(yōu)點，在電動汽車上應(yīng)用廣泛。但其也存在一些問題，如安全性差，不能大電流放電等，若能處理好鋰電池的散熱問題，將大有前景跟市場。（4） 第四代動力電池：質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）和直接甲醇燃料電池（DMFC）其特點是無污染，放電產(chǎn)物是，是真正的電化學裝置。它是以或甲醇做為燃料，氧化劑為，直接將化學能直接轉(zhuǎn)為電能的車載動力裝置。而與前面提到的鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池則不同，他們只是電能的轉(zhuǎn)換和儲能裝置。燃料電池發(fā)電的原理跟前面提到的電池原理不同，他本身是不能發(fā)出電能的，需要先對電池進行插電，然后將電能轉(zhuǎn)化為化學能存在與電池的內(nèi)部，

16、當電池工作時，化學能轉(zhuǎn)化為電能輸出作為車載動力。所以當前這類電池還需要消耗燃料發(fā)出的電能。燃料電池目前最經(jīng)濟，最環(huán)保，應(yīng)該是車載動力電池的首選，但是要實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)還需要克服很多難題，比如價格較高，采用鉑、銠等貴金屬作為催化劑，燃料的儲存、攜帶問題，以及使用壽命的問題。目前，純電動汽車產(chǎn)業(yè)化的最大問題是一次充電的續(xù)駛里程、汽車的價格和使用成本，如何解決這些問題使得蓄電池的發(fā)展至關(guān)重要。對純電動汽車來說，對蓄電池的要求主要如下：蓄電池的容量要足夠大并且可實現(xiàn)深度放電，比能量和能量密度也要盡可能大。蓄電池的可接受充電電流也要大。目前，社會上使用較多的蓄電池種類大致如下：鉛酸電池：鉛酸電池的正極板上

17、的化學物質(zhì)是二氧化鉛（PbO2）,負極板上的活性物質(zhì)為純鉛（Pb），電解液為硫酸的水溶液（H2SO4+H20）。鉛酸電池的最大優(yōu)點是內(nèi)阻小，可輸出大電流，故而被用作發(fā)動機的起動電源。但是其比能量及能量密度較低，壽命短且使用成本高。因此已經(jīng)逐漸淡出主流發(fā)展方向。鎳氫電池：電動汽車用鎳氫（Ni-MH）電池也稱為鎳金屬氧化物電池。其基本組成有：氫氧化鎳正電極、儲氫合金負極及堿性電解液（如質(zhì)量分數(shù)為30%的氫氧化鉀水溶液）。鎳氫電池的循環(huán)壽命長，比功率大，并且因其環(huán)保性好被稱為21世紀“綠色環(huán)保電源”。但是其使用成本較高，單體電池電壓低，對環(huán)境溫度要求較高。鋰離子電池：鋰離子電池是由二次鋰電池發(fā)展而來

18、的。鋰離子電池的負極活性物質(zhì)是可嵌入鋰離子Li+的碳（形成LixC)，正極活性物質(zhì)是金屬鋰化物，如LiNiO2、LiCoO2等，電解質(zhì)是非水性的有機溶液聚合物。電動汽車用鋰離子電池按其正極材料的不同分類，主要有錳酸鋰離子電池、磷酸鋰離子電池、鎳鈷鋰離子電池及鎳鈷錳鋰離子電池等。相比于其他類型的蓄電池，鋰離子電池的主要優(yōu)點有電壓高，循環(huán)壽命長，自放電小等。目前在實際中也得到了越來越多的應(yīng)用。但是其主要缺點在與成本高，受溫度影響大等。1.3電動汽車電池組熱管理系統(tǒng)1.3.1蓄電池熱管理的必要性及分類 蓄電池性能的發(fā)揮與蓄電池的溫度有密切的關(guān)系。當蓄電池溫度高時，可使蓄電池的活性增加，是能量得到更充

19、分的利用。但是，蓄電池長時間的工作在較高溫環(huán)境下壽命會明顯地縮短，當溫度太高時，蓄電池還會出現(xiàn)嚴重損壞的現(xiàn)象，甚至引起爆炸，存在嚴重安全隱患。在低溫狀態(tài)下的蓄電池因為其內(nèi)阻的增加，會降低蓄電池活性，使其放電能力下降，減小蓄電池實際可用容量。針對鋰離子電池來說當在低溫條件下充電時，蓄電池活性差，因此可用的鋰離子數(shù)量減少，甚至造成其內(nèi)部短路。因此，工作中的蓄電池必須時刻保持于適度的溫度區(qū)間中。若是蓄電池工作的溫度或工作溫度的上升指數(shù)達到臨界值后，電池就必須采取降溫處理，及時通過風冷或水冷等方式保證電池的工作溫度不超出一定區(qū)間內(nèi)。若是蓄電池溫控失去效用，就應(yīng)立即切斷電路，防止意外發(fā)生。 電動汽車電池

20、組熱管理系統(tǒng)（BTMS，Battery Thermal Management System）采用對電池組實時溫度的監(jiān)控并通過一定控制方案對電池組溫度進行控制，其工作的目標有三點：第一，使電池組隨時處于適當工作溫度區(qū)間內(nèi)。溫度太高時，系統(tǒng)及時對電池組散熱，防止意外發(fā)生；溫度太低是，對電池組進行升溫處理，保證電池基本性能。第2、 系統(tǒng)隨時保證單個電池之間溫度不能有太大差距。盡量保證每單位電池釋放熱量的速率基本相同。第3、 當電池組在工作中，達到極限條件時，熱管理系統(tǒng)能及時預(yù)警；而在正常狀況下，處于節(jié)能的目的，自動調(diào)低散熱功率。1.3.2電池組熱管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀（1） 空氣冷卻系統(tǒng) 空氣冷卻作為最

21、常用的降溫散熱方法，一般可分為自然對流冷卻和強制對流冷卻兩種方法。憑借自然風進行對流換熱的方式稱為自然對流冷卻。這種方法成本低，布置難度小，但是換熱能力有限。強制對流冷卻一般通過風扇降溫，這種方法可以解決電池組布置的局限性?？諝饫鋮s系統(tǒng)一般有并行通風和串行通風兩種方式。1999年帕薩倫等人研究發(fā)現(xiàn)，前者的冷卻效果明顯優(yōu)于后者。2010年，梁昌杰等人為改善串行通風的冷卻能力，設(shè)計出三種不同的導(dǎo)流板。并發(fā)現(xiàn)其對電池組熱管理均有正面意義。2012年，劉振軍等人在某種現(xiàn)實存在的電池組結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進行改良。使得該電池組溫差大幅減少，取得卓越成果。（2） 液體冷卻系統(tǒng)空調(diào)冷卻次級熱交換器初級熱交換器電池組

22、圖1.1 本田散熱系統(tǒng)示意圖 圖1.1所展示的是一套由日本本田于2002年設(shè)計的電池組散熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)將多種散熱方式結(jié)合，包含液體、空調(diào)、空氣等幾種方法。當溫度變化時，采用不同方法進行散熱。 2011年，杰雷特等人選用8種方案研究蛇管冷卻板冷卻性能，發(fā)現(xiàn)單通道設(shè)計局限性很強。無法兼顧平均溫度等溫度場控制參數(shù)。（插圖）因此不難看出，隨著人們對電動汽車散熱技術(shù)的關(guān)注度提升，各種各樣不同尺寸，不同種類，不同散熱方式的電池組應(yīng)運而生。而電池組中電池的擺放、數(shù)量、結(jié)構(gòu)也是大不相同。各大汽車品牌也研發(fā)了各式電池組及其熱管理系統(tǒng)。（插圖）總的來說，隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)市場需求的增大，各種各樣的冷卻系統(tǒng)在技術(shù)方面

23、都有了較大的革新，但是相比較空氣冷卻來說，液體冷卻的研究要少很多。但是在目前來講，電動汽車的性能要求逐漸提升，傳統(tǒng)的空氣冷卻結(jié)構(gòu)逐漸無法滿足日益復(fù)雜化、密集化的電池組需要。甚至在某些情況下，空氣冷卻已經(jīng)無法使得電池在一定的溫度區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定工作。因此，大力發(fā)展液體冷卻就顯得至關(guān)重要。1.4本文的研究內(nèi)容、研究方法及研究意義本文首先介紹純電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀，動力汽車電池發(fā)展現(xiàn)狀以及電池組熱管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀。然后探究鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及工作原理，研究其物理參數(shù)的計算方式。根據(jù)鋰離子電池的工作原理，選擇在市面上普遍使用的18650型鋰離子電池所構(gòu)建的電池組進行Fluent仿真分析，參考文獻進行對比。通過改變

24、介質(zhì)流量探究其對散熱效果的影響。本文主要通過數(shù)學計算與Fluent仿真分析結(jié)合的方法，觀察電池處于不同溫度環(huán)境時的溫度分布情況，并對其進行優(yōu)化。熱量在電池組內(nèi)的堆積會導(dǎo)致一系列的嚴重問題，尤其是在電池組這樣單體電池間彼此還需要承受熱量的工作環(huán)境中。因此需要使電池組時刻處于合理工作溫度范圍內(nèi)，以保障電池組良好的工作性能和使用壽命，降低危險發(fā)生的概率。本文研究鋰離子電池單體物理特性以及電池組溫度場分布，可以對電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計提供部分參考意義。第2章 單體鋰離子電池熱特性研究本章將對鋰離子電池單體在工作中所產(chǎn)生的一系列熱行為進行分析探究。工作中的鋰離子電池熱行為相對復(fù)雜，產(chǎn)熱機制較多，傳熱、散熱

25、特性都會影響到電池單體是否處于適宜的溫度范圍內(nèi)。在本文對電池組熱管理系統(tǒng)的仿真部分也會使用到本章節(jié)相關(guān)內(nèi)容。2.1 鋰離子電池內(nèi)部構(gòu)造與工作原理2.1.1鋰離子電池的優(yōu)缺點分析 在如今的發(fā)展中，傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車噪聲、污染、石油短缺等問題越來越突出，電動汽車的出現(xiàn)于發(fā)展已經(jīng)成了不可阻止的趨勢，動力電池也隨之發(fā)展了起來，動力電池發(fā)展趨勢也逐漸向高比能量，長使用壽命等方向努力。從2010年智能手機、平板電腦的出現(xiàn)開始，鋰電池就開始進入市場，并保持一定的增長率銷量逐年攀升，到2015年新能源汽車行業(yè)的興起，鋰電池的市場份額從2014年的14%增加到28%，增加了十個百分點。到2016年，鋰電池的市場份額

26、又突破了73%，成為占據(jù)市場份額最多的電池。 相比較其他幾種電動汽車蓄電池來講，鋰離子電池有著獨特的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在： 1. 能量比比較高，能量密度高，相比較于鉛酸電池來講，是后者的6-7倍。2. 使用壽命長，通常情況下鋰離子電池的使用壽命在6年以上，甚至有記錄顯示有可以使用10000次的情況存在。而且在使用1200次后，鋰離子電池的容量依舊高于60%的額定容量。3. 自放電率低，就目前而言，鋰離子電池的自放電率一般可達到1%/月以下，相比較鎳氫電池來說，不足鎳氫電池的1/20。4. 對溫度的適應(yīng)性強，可工作溫度范圍在-20-60間。在經(jīng)過加工后，甚至可以在-45的惡劣環(huán)境下工作。5. 綠色環(huán)

27、保，在生產(chǎn)、使用、報廢的整個過程中都不會產(chǎn)生有毒重金屬。對比會產(chǎn)生大量有毒重金屬的鉛酸電池來講，鋰離子電池的環(huán)保性很好。 雖然鋰離子電池優(yōu)點眾多，但是就目前的研究水平來說，鋰離子電池依舊存在著一些缺陷。鋰離子電池在使用的過程中，如果不能正確操作，就會有一定的安全隱患，甚至引發(fā)爆炸。著名的特斯拉汽車就曾經(jīng)發(fā)生過鋰離子電池板爆炸的事件。鋰離子電池也存在長時間使用后容量減少的情況，不同于其他電池的地方在于，鋰離子電池容量減少與充放電次數(shù)無關(guān)，其主要影響因素來源于溫度。因此，未來鋰離子電池的研究工作應(yīng)著力于解決這些問題。2.1.2鋰離子電池的分類及結(jié)構(gòu) 隨著鋰離子電池近年來的飛速發(fā)展，其樣式也是越來越

28、多。一般對于鋰離子電池的分類方式包含以下幾種：根據(jù)直觀觀察其形狀，一般有圓柱形與方形兩種。圓柱形鋰離子電池采用纏繞式結(jié)構(gòu)，而方形電池采用的則是層疊式結(jié)構(gòu)。鋰離子電池還可以根據(jù)其是否可充電分為兩種，一次電池與二次電池。也可以根據(jù)其電解質(zhì)的狀態(tài)進行分類。例如液態(tài)電解質(zhì)或聚合物電解質(zhì)。在現(xiàn)有的研究中發(fā)現(xiàn)，采用聚合物作為電解質(zhì)的的聚合物鋰離子電池在很多方面明顯優(yōu)于采用液體電解質(zhì)的液體電池。當鋰離子電池中沒有液體電解質(zhì)時，電池會變得更加安全。而且相比于液態(tài)鋰離子電池，采用聚合物作為電解質(zhì)的鋰離子電池的質(zhì)量輕便，使用次數(shù)長。 本文使用的電池是在社會中廣泛使用的18650型鋰電池，以下對該型電池結(jié)構(gòu)進行簡單

29、介紹。（插圖） 上圖為18650型鋰電池結(jié)構(gòu)示意圖 18650型電池，直徑為18mm,高65mm,相比起家用的5號電池微大。一般被運用在工業(yè)上。在一些筆記本電腦或野外生存手電筒上均有廣泛應(yīng)用。18650型電池的理論壽命在1000次循環(huán)充電以上，具有非常良好的性能。一般情況下，18650型電池結(jié)構(gòu)包括正負極、電解質(zhì)、密封圈、外殼、底部隔圈等。并且每一顆電池都有一道安全閥，這是電池的重要防爆屏障。目前市面常見的2000-3000mAh的電芯內(nèi)部正極材料已經(jīng)從第一代的鈷酸鋰（LiCoO2）全面升級為鎳鈷錳（LiNi-Co-MnO2）。使得其安全性更好，使用壽命也有所延長。2.1.3鋰離子電池工作原理

30、鋰離子電池是一種二次電池，其工作過程就是在正極、負極之間不斷的嵌入、脫離。電池由下面部分組成：1）負極，在放電的過程中發(fā)生氧化反應(yīng)，負極材料多為碳材料；2）正極，在放電過程中發(fā)生還原反應(yīng)，正極材料為金屬氧化物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等；3）電解液，溶解正極金屬離子， 給離子的移動充當運輸介質(zhì)；4）隔膜，為正極、負極提供離子隔離。通常用鋁箔當做正極集流體，負極集流體一般是銅箔。下面以磷酸鐵鋰電池（）為研究對象：充電時，正極中的鋰離子從磷酸鐵鋰金屬氧化物的晶格中脫離出來，穿過電解質(zhì)這一通道到達負極，并嵌入到負極的層狀結(jié)構(gòu)中；放電時，鋰離子從碳材料的層狀結(jié)構(gòu)中脫離，穿過電解質(zhì)到達正極，重新嵌入到

31、正極的晶格中，電極材料恢復(fù)原狀。在這個過程中，重新返回到正極的離子數(shù)目越多，其放電容量越大，所以我們平時所說的電池容量其實就是放電容量。如下所示為磷酸鐵鋰電池的反應(yīng)方程式：正極反應(yīng)： （1）負極反應(yīng)： （2）總反應(yīng)式： （3）反應(yīng)方程式（1）（3）說明，鋰離子電池的原料可以是能電離出鋰離子以及能嵌入鋰離子的的化合物或者材料作為兩個電極的。它的正極可以是鋰的各種金屬氧化物，如、尖晶石或等；負極材料多為碳素材料，比如石墨等等，因為這些材料結(jié)構(gòu)特點，能夠供給鋰離子可以鑲嵌及脫落的晶格。當充電的時候，外部電路的電流流向是從負極流向正極，對應(yīng)的正極材料電離出鋰離子，離子通過電解液，穿過隔膜，最后嵌入到碳

32、材料的晶格中。一般在正常放電中，鋰離子的電離、不斷的鑲嵌以及從碳材料中脫落不會對晶格機構(gòu)造成破壞，只會對晶格間距有一些影響，其化學結(jié)構(gòu)也不會隨著放電過程的進行變化，所以鋰離子電池又叫做搖椅式電池；不僅如此，鋰電池在工作過程中不會產(chǎn)生或留下金屬的碎屑，因此避免了鋰枝晶的產(chǎn)生，對鋰電池的使用壽命以及安全性有很大的改善，所以鋰離子電池才能有如此廣闊的市場，并擁有著無法替代的地位。2.2 鋰電池的生熱及傳熱機理分析2.2.1 鋰電池的生熱機理鋰電池在工作過程中的生熱來源主要有四個方面，包含有反應(yīng)熱、電池內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱、電極表面的極化熱以及副反應(yīng)熱。將鋰電實際產(chǎn)生的熱量定義為，則可以得到下列公式： （

33、4）1） 反應(yīng)熱：指的是鋰電池在工作過程中，鋰離子不斷穿過電解液，在兩個電極上鑲嵌又脫落的過程中產(chǎn)生的熱量。由于電池工作可逆，當充電時，這部分熱量為負值，而在放電時其熱量為正值。反應(yīng)熱的計算公式如下： （5）公式中，的單位是W；n表示電池的數(shù)目；m指的是電極的質(zhì)量；Q表示的是電池在工作的過程中，電極上電化學反應(yīng)生成的熱量的總和；I指的是放電的電力大小，單位是A；M為摩爾質(zhì)量，單位是；F代表的是法拉第常數(shù)，數(shù)值的大小為96484.5。2） 電池內(nèi)阻所產(chǎn)生的焦耳熱：指的是電池在工作過程中，電池內(nèi)部材料因存在有電阻，在電流的作用下不斷的產(chǎn)生熱量，這部分的熱量為標量，所以在工作過程中熱量始終為正值。焦

34、耳熱的計算公式為： （6）式中，的單位是W；I指的是工作時的電流，單位是A；指的是內(nèi)阻，單位是。3） 電極表面的極化熱：指的是當鋰電池工作時，電池的兩個電極表面會發(fā)生極化現(xiàn)象，即實際的電極電位偏離了平衡時候的電極電位的現(xiàn)象，這時，電池兩端的平均端電壓與開路電壓相比會略有不同，而這部分壓差所產(chǎn)生的熱量就是電池的極化熱。極化熱的大小主要跟工作時的電流、環(huán)境溫度、電池種類等因素有關(guān)，并且在充放電的末期，極化熱產(chǎn)生的最多。因為極化熱也是標量，所以在工作中這部分熱量也都為正值。在處理極化熱的方法中，大部分人選用的方法是采用虛擬等效的電池極化內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量來代替。但實際上這個內(nèi)阻是不存在的，只是人們?yōu)榱搜?/p>

35、究方便假定的。所以電池充放電時的生熱量可以進一步表示為： （7）式中：，是鋰電池的內(nèi)阻。電池內(nèi)阻與電池放電的深度之間存在函數(shù)關(guān)系，并且放電深度越大，其內(nèi)阻也越大。電池內(nèi)阻的大小會隨著工作過程不斷變化，這是由于電池內(nèi)部的條件不斷變化，如兩個電極的活性、電解液的密度、濃度以及溫度。根據(jù)電化學的相關(guān)知識可知，電池內(nèi)阻遵循歐姆定律，但電池的極化內(nèi)阻是與電池的電流密度相關(guān)的。在電池工作過程中，想要測量電池的極化內(nèi)阻是很困難的，因為電池內(nèi)阻與電池深度有很大的關(guān)系，因此，在這里采用另一種方法計算鋰電池的極化熱，該方法遵循的是Bernardi等人發(fā)現(xiàn)的電池生熱的一種模型。這種方法是將極化熱跟反應(yīng)熱都看成是不可

36、逆的反應(yīng)熱。所以，電池工作中的生熱量可以化簡為： （8）式中，為兩者都算在內(nèi)的總熱。4） 副反應(yīng)熱：副反應(yīng)熱主要包括在自放電條件下引起的電極材料分解所產(chǎn)生的熱量；電池在充放電末期因為過充電、過放電而產(chǎn)生的副反應(yīng)熱；在高溫下電解液會分解而產(chǎn)生的熱量。在實際計算中，因其自放電產(chǎn)生的熱量以及電解液分解生成的熱量太少而可以忽略。根據(jù)上面的介紹可以得到：鋰電池在充電的時候其反應(yīng)熱為負值，而放電池的時候為正值，有此可知電池在放電的時候產(chǎn)生的熱量要比充電時的生熱量多，因此電池在充電后電池內(nèi)部的溫度分布會較為均勻一些。因鋰電池在工作過程中是一個伴隨熱量流動的可逆反應(yīng)，他在可逆反應(yīng)中主要變現(xiàn)出來的是放熱效應(yīng)。其

37、中，電池的負極反應(yīng)會有一些吸熱效果，電池的正極表現(xiàn)出來的是大量的放熱效果，對吸熱。放熱量進行矢量運算可得，鋰電池的總體表現(xiàn)為放熱。2.2.2鋰離子電池傳熱機理鋰離子電池在工作過程中的傳熱可以分為三類：熱輻射、熱傳導(dǎo)及熱對流。無論在任何條件下，電池熱行為符合能量守恒定律：式中，表示電池生熱，表示電池與環(huán)境換熱，表示電池吸熱。的體現(xiàn)方式通過以下表達電池溫差的公式：上式中，代表電池單位質(zhì)量，以為單位；代表電池單位比熱，以為單位。在絕熱條件下，值可視為零，簡化后公式如下：1） 熱輻射鋰離子電池的傳熱過程中，通常在電池表面發(fā)生熱輻射，體現(xiàn)公式如下：上述公式中，代表輻射功率，以為單位；代表熱輻射率；的值為

38、，表示斯特潘-玻爾茲曼常數(shù)；和表示電池和周圍溫度，單位為。2） 熱傳導(dǎo)具有溫度差的物體之間通過接觸產(chǎn)生的熱傳遞稱為熱傳導(dǎo)。同種物體或不同物體間因直接接觸產(chǎn)生的熱傳遞均為熱傳導(dǎo)方式。在電池內(nèi)，這種熱傳遞方式是主要方式，分別出現(xiàn)在電池正、負極等結(jié)構(gòu)中。所用公式如下：此處采用傅里葉定律來體現(xiàn)熱傳導(dǎo)。上式中，表示熱流密度，以；為導(dǎo)熱系數(shù)，以為單位；而溫度梯度則用表示，單位是。3） 熱對流在本文的研究中，由于電池在電池殼內(nèi)與冷卻液直接接觸，依靠冷卻液在電池表面的快速掠過帶走電池熱量以達到散熱效果，因此會產(chǎn)生對流傳熱。這部分傳熱不能忽略。但是在鋰電池內(nèi)部，由于電解質(zhì)流動緩慢，因此對流不明顯?？梢院雎?。熱對

39、流公式如下：熱對流的計算借用牛頓公式，式中，表示以為單位的熱流量，是對流系數(shù)，以為單位；表示面積，單位是；后兩項表示壁面與流體溫度，單位均為。在單體鋰電池的熱行為分析中，熱輻射和熱對流的影響較小，可忽略不計，主要受熱傳導(dǎo)影響。當電池的生熱速度大于散熱速度時，就會產(chǎn)生熱積累。因此接下來，我們對單體鋰離子電池進行物理建模和數(shù)學公式計算，并對其熱特性進行仿真。2.3單體鋰離子電池熱特性分析2.3.1軟件介紹1）Gambit介紹在本文的中，我們對電池單體和電池組的物理建模均使用Gambit軟件。Gambit專門用作CFD的前處理軟件包，主要用來模擬、生成網(wǎng)格模型。用它所生成的網(wǎng)格，有很多用途，不僅可以

40、用于多種CFD程序，同時還用于商用CFD軟件。其主要功能包括：構(gòu)造幾何模型：Gambit自身擁有幾何建模功能，一般只要模型不是很復(fù)雜，都可以直接在Gambit中進行建模。但面對十分復(fù)雜的CFD問題，尤其是三維CFD問題，就需要借用專用的CAD軟件(比如ProE）來協(xié)助完成幾何建模。Gambit能夠運行使用計算的文件類型主要有ACIS、PARASOLID、IGES以及STEP等格式。還有，Gambit不僅具備一般CAD軟件對實體形狀的布爾運算功能，而且還可以生成虛體，并對之進行類似的合并和分割運算，這一功能在處理導(dǎo)入其它格式的CAD模型時顯得尤為重要。劃分網(wǎng)格：對于網(wǎng)格劃分則是數(shù)值計算前處理中的

41、重中之重，Gambit軟件提供了多種結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格單元，對于二維流動來說，可以生成三角形和四邊形網(wǎng)格，對于三維流動，則可生成四面體、六面體、楔形和金字塔型等網(wǎng)格；它還可以生成不連續(xù)網(wǎng)格，可變網(wǎng)格、滑移網(wǎng)格、混合網(wǎng)格等特殊網(wǎng)格；針對邊界層的問題還可以生成專門的邊界層網(wǎng)格。用戶完全可以根據(jù)實際問題利用它自動完成網(wǎng)格劃分的工作。除了自動化生成多種類型的網(wǎng)格外，它還有良好的自適應(yīng)功能，能對網(wǎng)格進行細分和粗化。另外Gambit還可以直觀的顯示網(wǎng)格質(zhì)量，使用戶可以清楚的瀏覽網(wǎng)格單元畸變、扭曲、長寬比、光滑性等質(zhì)量性能參數(shù)，并可根據(jù)需要對網(wǎng)格進行細化和優(yōu)化，從而進一步保證CFD的計算網(wǎng)格質(zhì)量。指定邊界條件

42、：Gambit中包含有多種不同的邊界，比如壁面邊界、進口邊界、對稱邊界等十多種邊界條件，如果模型中同時存在流體區(qū)域和固體區(qū)域，或者是在動靜聯(lián)合計算下兩個流體區(qū)域的運動不同，那么必須指定區(qū)域的類型和邊界，將各區(qū)域區(qū)分開來。 通過以上三個功能Gambit可以產(chǎn)生出良好的前處理網(wǎng)格模型，并輸出為mesh文件，為之后的計算做好了準備?；贕ambit繪制網(wǎng)格的通用性以及便捷性，以及和Fluent軟件的接口的通用性，本課題研究也將使用該軟件進行前處理。2）fluent介紹Fluent是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，在美國的市場占有率為60%，只要涉及流體、熱傳遞及化學反應(yīng)等的工程問題，都可以用F

43、luent進行求解計算。Fluent軟件包中主要有以下幾個部分: Fluent-求解器；pre-PDF具有可移植文檔格式的處理程序；Gambit-建立幾何模型和生成網(wǎng)格的前處理程序；Tgrid-的作用是從已存在的邊界網(wǎng)格中產(chǎn)生體網(wǎng)格的附加前處理程序；Other Programs-則是對從其他CAD/CAE軟件包，如ANSYS、I-DEAS、NASTRAN、PATRAN等軟件中輸入的面網(wǎng)格或體網(wǎng)格進行轉(zhuǎn)換、過濾的程序。圖3.2 各程序包之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系Fluent軟件的適用范圍十分廣泛，可以用來計算的流動類型有：1） 任意復(fù)雜外形的二維，三維流動。2） 可壓縮與不可壓縮流動。3） 定常、非定常流。

44、4） 無粘流、層流和湍流。5） 牛頓、非牛頓流體流動。6） 對流傳熱，包括自然對流和強迫對流。7） 熱傳導(dǎo)和對流傳熱相耦合的傳熱計算。8） 輻射傳熱計算。9） 慣性(靜止)坐標、非慣性(旋轉(zhuǎn))坐標下中的流場計算。10） 多層次移動參考系問題，包括動網(wǎng)格界面和計算動子靜子相互干擾問題的 混合面等問題。11） 化學組元混合與反應(yīng)計算，包括燃燒模型和表面凝結(jié)反應(yīng)模型。12） 源項體積任意變化的計算，源項類型包括熱源、質(zhì)量源、動量源、湍流源和化學組分源項等形式。13） 顆粒、水滴和氣泡等彌散相的軌跡計算，包括彌散相與連續(xù)項相耦合的計算。14） 多孔介質(zhì)流動計算。15） 用一維模型計算風扇和換熱器的性能

45、。16） 兩相流，包括帶空穴流動計算。17） 復(fù)雜表面問題中帶自由面流動的計算。簡而言之，F(xiàn)LUENT 適用于各種復(fù)雜外形的可壓和不可壓流動計算。利用FLUENT軟件包解決問題時，通常要使用到三大部分軟件：前處理軟件、求解器、后處理軟件。1） 前處理軟件：其主要功能是對所研究的幾何模型進行創(chuàng)建，并且對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，可以使用的軟件主要有GAMBIT、TGrid、prePDF、GeoMesh等等。其中GAMBIT主要用于網(wǎng)格的生成，它是FLUENT自主研發(fā)的前處理軟件，可以直接生成供FLUENT使用的網(wǎng)格模型，它是一款擁有很強組合建模能力的專門前處理軟件。TGrid的作用是已經(jīng)存在的邊界網(wǎng)

46、格里面生成體網(wǎng)格，工作方式為GAMBIT將生成的網(wǎng)格導(dǎo)入TGrid中，由TGrid進行進一步的網(wǎng)格劃分。prePDF、GeoMesh也是前處理軟件，他們是引入GAMBIT之前工序的前處理器，不過現(xiàn)在prePDF只要用在燃燒問題的研究中，而GeoMesh已經(jīng)慢慢被GAMBIT替代。除此之外，F(xiàn)LUENT還配套了各類CAD/CAE軟件包以及GAMBIT接口，因此在對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模中很大程度上增強了建模能力。2） 求解器：其是流體問題計算的核心，所有的計算都在這里完成?，F(xiàn)在FLUENT版本不斷更新，主要不斷優(yōu)化功能，比如導(dǎo)入前處理軟件輸出的網(wǎng)格模型、提供計算的物理模型、定義材料的特性、定義邊界條件、

47、計算還有后處理。后處理軟件：主要功用是當流體計算完成后，對結(jié)果進行處理，滿足觀察的要求。FLUENT中本身就帶有較為強大的后處理功能，可以對結(jié)果進行圖像顯示、錄像、生成計算報告等處理。除此之外，我們還可以通過專門的后處理軟件Tecplot進行處理，這個軟件可以進行函數(shù)圖像繪制、輸出二維圖像、三維面圖像以及三位體繪圖，并且還有多種圖形格式可用選擇。當利用FLUENT解決問題時，需要對問題有個大概的了解，然后對問題進行分析，制定求解方案。其思路一般有以下幾步：1） 確定計算目標：明確要通過FLUENT得到什么樣的結(jié)果，如何使用這些結(jié)果，需要的模型精度是多少。2） 計算模型的選擇：需要對求解的問題進

48、行物理模型以及數(shù)學模型進行概括以及簡化，確定需要的計算域大小，在模型計算域內(nèi)應(yīng)要使用怎么樣的計算域，模型使用二維還是三維、怎么樣的拓撲才能滿足問題。圖3.3 FLUENT工作流程圖3） 物理模型選擇：因每一種物理模型都有對應(yīng)的設(shè)置，因此在用FLUENT計算前，需要想好我們所用的物理模型。比如用層流模型還是湍流、穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)、是非有能量流動。4） 求解過程的確定：確定問題解決需要用到什么算法，是非需要添加其他參數(shù)，用不用調(diào)整收斂加速計算時間等等。解決以上問題，我們就對問題有了一個初步的認識，接下來就可以開始用fluent進行計算了。2.3.2單體18650型鋰電池物理建模鋰電池在正常工作的情況下

49、，電池內(nèi)部會以一種固定的速率產(chǎn)生熱量。其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)到達電池表面，然后熱量通過自然對流或其他等形式散掉。但是因為鋰電池的內(nèi)部有很多層，并且每層的厚度有非常小，因此本次研究方法是將每層的生熱量疊加起來，看作是一個內(nèi)部均勻的發(fā)熱體產(chǎn)熱。于是電池的模型可以簡化為由一個熱源還有外殼組成的模型。18650型鋰電池體積較小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含正負極、電解質(zhì)、密封圈等十余項。為方便分析，簡化電腦計算過程，我們在建模過程中，選擇對電池單體進行簡化，僅包括外部殼體以及內(nèi)部的一個熱源，具體建模如圖所示為簡化計算，我們假定電池內(nèi)部熱源介質(zhì)均勻，生熱速率不變。2.3.3鋰電池生熱速率的計算及數(shù)學模型通常情

50、況下，考慮到鋰離子電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，我們?yōu)榱撕喕嬎?，特做出如下假設(shè)：（1） 電池內(nèi)介質(zhì)均勻，在電池內(nèi)部的材料的密度、比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)不變（2） 電池在工作中過程中電流均勻（3） 電池材料比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)恒定，不會隨溫度變化而變化。在計算生熱速率時，我們選擇伯納迪先生于1985年與團隊共同提出的計算模型，具體公式如下：該式中，U代表端電壓，單位為V；I表示電流強度，單位為A；U0表示開路電壓，單位為v；Vb表示電池體積，單位為m3。(U-U0)表示的是焦耳熱部分，最后部分表示可逆反應(yīng)熱。根據(jù)上述假設(shè)，可以得到鋰離子電池數(shù)學模型為：其中，右邊前三項代表在三維坐標系中各方向的導(dǎo)熱率，q表示單位體積的生

51、熱速率。左邊為單位體積電池在單位時間內(nèi)的生熱速率。 除了生熱速率之外，比熱容的大小也對電池內(nèi)部溫度分布有很大影響，因此在此提供比熱容的計算方法，具體公式如下：在上式中，表示電池質(zhì)量，單位；表示某材料比熱容，單位；表示前述材料質(zhì)量，單位。2.3.2鋰離子電池單體溫度場仿真物理建模完成后，我們就需要進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分我們同樣在Gambit上進行。一般的網(wǎng)格形式我們在軟件介紹時已經(jīng)有過了解，在此處我們選擇適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格對模型進行劃分。劃分后模型如下：模型劃分完成后，就需要設(shè)置邊界條件，我們認為內(nèi)熱源的材質(zhì)是固體，邊界是壁面邊界，即WALL，電池壁面邊界條件同樣設(shè)置為WALL，設(shè)置完成后導(dǎo)

52、出MSH文件，準備進行Fluent仿真。因為在建模中我們采用mm為單位進行建模，因此在導(dǎo)入Fluent后無需對模型的單位進行換算。導(dǎo)入MSH文件后我們對網(wǎng)格進行檢查，發(fā)現(xiàn)沒有負網(wǎng)格后，進行下一步。檢查完后，打開能量方程，設(shè)置電池內(nèi)部材料參數(shù)，通過計算，選定電池比熱容為，選定導(dǎo)熱系數(shù)為，選定換熱條件為自然通風，換熱系數(shù)為。在對單體鋰離子電池熱特性進行仿真時，我們選擇比較不同放電倍率下鋰離子電池溫度的分布變化，這是因為在電動汽車行駛過程中，經(jīng)常需要改變電池放電倍率以實現(xiàn)短時間內(nèi)對汽車加速或爬坡性能的提升。在這個過程中，電池會產(chǎn)生大量的的熱。而當鋰離子電池的溫度超過40時，就會存在安全隱患，因此我們

53、選擇對這一參數(shù)進行比較。1C放電結(jié)果在1C放電后，電池外殼表面最高溫度307.9（k），電池外殼表面最低溫度306.7（k），內(nèi)部熱源最高溫度308.3（k），溫差1.6（k）。2c放電結(jié)果在2c放電后，電池外殼表面最高溫度313.1（k），電池外殼表面最低溫度311.8（k），內(nèi)部熱源最高溫度313.6（k），溫差1.8（k）3c放電結(jié)果在3c放電后，電池外殼表面最高溫度318.2（k），電池外殼表面最低溫度315.4（k），內(nèi)部熱源最高溫度318.9（k），溫差3.5（k）。4c放電結(jié)果在4c放電后，電池外殼表面最高溫度325.4（k），電池外殼表面最低溫度321.3（k），內(nèi)部熱源最高溫

54、度326.4（k），溫差5.1（k）。5c放電結(jié)果在5c放電后，電池外殼表面最高溫度336.2（k），電池外殼表面最低溫度331.7（k），內(nèi)部熱源最高溫度337.7（k），溫差6（k）。不同放電倍率下電池溫度差從上面的結(jié)果整理中我們能夠得到，電池在不同電流放電的情況下，電池最終穩(wěn)態(tài)時的溫度都不相同。放電電流越大，其內(nèi)部生熱率越大，最終電池的溫度就越大。根據(jù)相關(guān)文獻表明，鋰離子電池的理想工作溫度應(yīng)該處于298313（k）之間，因此我們可以看出，當鋰離子電池單體放電倍率達到2c時，就基本達到了電池工作的極限范圍，需要對電池進行散熱處理，使其回到正常溫度區(qū)間內(nèi)。第3章 鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計

55、與仿真3.1電池組溫度場仿真分析針對本文研究的特斯拉汽車電池組結(jié)構(gòu)，鋰離子電池在實際運用中是以成組聯(lián)結(jié)的形式給電動汽車提供動力。在實際的特斯拉Model-s電動汽車中，電池板使用7104節(jié)18650型鋰電池組成。在電池板中，這7104節(jié)電池被分成16組電池組板，每組444節(jié)電池。電池組板之間通過串聯(lián)聯(lián)結(jié)。因此在電池板中，單節(jié)電池之間的距離很小，相互之間會產(chǎn)生很大的熱力學影響。因此，對電池組的熱管理系統(tǒng)有很大的要求。3.1.1鋰離子電池組建模根據(jù)于建新的論文指導(dǎo)，我們在對電池組進行建模時，選擇以96節(jié)電池為一組，以交錯的形式串并聯(lián)排列在一起，采用8*12的結(jié)構(gòu)，電池之間間隙2mm。在電池外部設(shè)計外殼包裹以提供冷卻液的流動區(qū)域，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較符合實際。電池組實際裝配圖在實際物理建模過程中，由于包含的電池數(shù)量巨大，因此忽略電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，僅保留電池內(nèi)部熱源作為散熱區(qū)域，電池部分的建模如圖：電池部分建模完畢后，需要開通流體域。針對電池的結(jié)構(gòu)尺寸，我們對流體域外殼的尺寸規(guī)定如下：。外殼部