第5章车载动力电池包结构设计与仿真优化-研究生院管理系统-吉林大学

1、专业文献阅读报告文献阅读报告锂离子动力电池生热特性分析及其选配学院：汽车工程学院专业：车辆工程姓名：康海鹏学号：20114220442011422044指导教师：闵海涛吉林大学1目录目录.1.第一章绪论.3.1.1 电动汽车的发展.3.1.2 电动汽车种类及其相应的动力系统构成 .61.3 电动汽车车载动力源简介 .7第 2 章热管理系统的研究现状. 112.1 动力电池热管理的必要性 .1.12.1.1 锂离子电池工作原理 . 1.12.1.2 锂离子电池工作温度 . 1.22.2 现阶段电池包热管理技术的应用情况 .142.3 动力电池热管理系统的发展趋势.14第 3 章 锂离子动力电池单

2、体电池热模型的建立 .163.1 锂离子电池单体生热机理研究 .163.2 单体电池生热模型仿真.173.2.1 单体电池生热的数学模型 .1.723.2.2 基于有限元的计算流体力学热仿真软件介绍 .20323 单体电池生热模型仿真.23第四章 温度对电池一致性的影响分析 .264.1 国家 863 计划对锂离子电池的技术指标 .264.2 温度对锂离子电池容量的影响 .274.3 温度对锂离子电池内阻的影响 .28第 5 章车载动力电池包结构设计与仿真优化 .294.1 车载动力电池冷却方式的选择 .294.2 车载动力电池的结构设计.314.3 基于 FLUENT 的热模型仿真 .33结

3、束语.34参考文献.353第一章绪论1.1 电动汽车的发展百年来，随着汽车的结构不断完善，车辆性能的不断提高，汽车工业取 得了长足的发展，汽车保有量与日俱增，全球汽车保有量已于2010年突破10亿辆大关，未来5年内还将持续以20%的速度增长，预计到2015年，全球汽 车保有量将增至11.2亿辆左右，届时亚洲地区将拥有全球四分之一的汽车，也就是2.8亿辆，其中中国和印度的市场增长潜力巨大。据公安部交管局所 统计，截至2011年11月，我国机动车保有量达2.23亿辆，机动车驾驶人数 量达2.34亿人，汽车保有量达1.04亿辆，我国许多城市已进入汽车社会。但是从可持续发展的战略角度上看，唯有发展以电

4、动汽车为主的新能源 汽车才是解决未来能源与环境问题最有希望、最彻底的措施，引起了世界范 围内各国政府、汽车生产企业以及科研机构的高度重视 2o汽车工业作为曾经推动人类文明高速发展的现代科技文化的集合体，在 给我们的生活出行带来方便与实惠的同时， 它的进步与成长所带来的对化石 能源需求的激增和对环境保护的负面影响也开始得到了人们的广泛关注。经 济的高速发展，加大了对自然资源的巨额需求， 今天的世界经济离不开石油，汽车工业和汽车消费的发展更离不开石油。据统计，1999年工业化国家每天进口石油达6000万7000万桶，预测2020年达1.2亿桶/天。作为仅次于美 国的第二大石油消费国，预计中国今年的

5、日均石油需求量将增长9.1%,至1000万桶。过去5年，中国新增1亿吨炼油能力，全部被新增的3500万辆 汽车吞噬掉。专家预计2015年之后，世界石油产量将达到高峰而逐渐递减。 随着不可再生自然资源的消耗殆尽，日益增长的能源需求必将导致严重的能 源紧缺，汽车工业的发展面临着前所未有的困难和挑战。此外，以汽油或柴 油作为燃料的常规内燃机热效率低，不仅造成能源浪费、引发能源危机，还 带来严重的环境污染和环境恶化，如何减小甚至消除燃油汽车所带来的危害， 也成为汽车工业可持续发展面临的重要课题。能源短缺问题是当今世界共同面对的问题，也是各国亟需解决的难题。 由于传统4汽车的动力来源几乎全部来自于石油的

6、炼制品，因此随着汽车保有 量的增加，石油资源短缺问题也日渐明显。据估计，按照现行阶段的需求增 长速度，全世界的石油储量仅能持续使用40年左右。大气污染问题是困扰人类发展的另一巨大难题。现在社会面临的主要问 题是：城市空气质量日渐下降，而且已经到了影响人的健康甚至人们的正常 生活。居民在城市的幸福感下降，城市居民，尤其是重工业聚集的城市，居 民的健康问题受到巨大的危胁。另一方面，全球气候变暖，温室气体排放却 与日俱增；大气臭氧层被破坏，有毒有害的氮氧化物大量排放，这些也同样 影响着全球包括人类在内的生物。我国的环境监测数据表明，经由汽车排放 的废气是城市大气的重要污染源之一。以北京地区为例，几大

7、主要的大气污 染物中， 经由汽车排放的CO HC, NO的分担率分别是63.4%, 73.50%和46%汽车工业的快速发展所引起的石油需求危机和环境污染问题引起了各国政府 和环保人士的高度重视，汽车公司也纷纷研发出缓解未来能源和环境危机的 汽车新技术，一方面致力于传统汽车节能技术，通过改进供油系统、点火系 统，增加气缸燃油喷射，提高汽油机运转稳定性，提升汽油燃烧效率，从而 达到减少燃油的消耗，节约能源的使用；另一个方面通过使用可变气门正时、废气涡轮增压以及催化尾气净化等技术，改善汽车尾气质量，减少汽车尾气 排放，进而减轻汽车尾气对大气环境的影响。发展清洁的、使用可再生能源作为动力的电动汽车成为

8、解决上述问题的 重要方案，已经被提到国家的发展日程上来。与传统汽车相比，电动汽车具有以下优点：1、 零排放或近似零排放。2、减少了机油泄露带来的水污染。3、降低了温室气体的排放。4、提高了燃油经济性。5、提高了发动机燃烧效率6、运行平稳、无噪声。57、 因为有了电池，可以十分方便地回收制动时、下坡时、怠速时的能 量。图中显示了各种电动汽车及其动力总成按电力驱动系统以及内燃机的 耦合方式的不同，可以分为并联混合动力和串联混合动力汽车两类。 当动力 总成采取电池电机和内燃机引擎并联驱动的结构时， 根据电池和内燃机在驱 动能量上的贡献比例，混合动力汽车可分为弱混电动车，中混电动车，强混 电动车以及插

9、电式混合动力车。插电式混合动力车的电池容量较大，而且电 池储存的能量主要来自电网的充电。当电池的荷电态（SOC较高时，汽车 以纯电动的形式驱动，或者是电池为主引擎为辅的混合方式；但是当电池的SOC降低到一定的阈值时，汽车以混合动力方式运行。在其它类型混合动力 车中，电池的能量来自于发动机的充电和制动能量的回收利用，电池的荷电状态稳定在一定的的范围之内。并联式混合动力汽车在急加速或爬坡时， 动 力电池可以提供额外的功率辅助，使发动机工作在最佳工作点附近，从而提 高燃油利用率；而在制动以及怠速时可以将多余的能量转化为电能，回收能 量，将其反馈给动力电池，从而提高能量的利用率。混合动力汽车的节能优

10、势也由此体现。对于纯电动汽车，所有能量均由动力电池提供， 在汽车运行 的过程中没有任何尾气排放， 能量利用率也相对较高，因此纯电动汽车是最 为环保的车辆。61.2 电动汽车种类及其相应的动力系统构成在国外，很多汽车厂商也开始了纯电动汽车的商业化，如美国Tesla的纯电动跑车，富士重工的Stella PHEV及三菱的iMiEV等。2008年底，德国宝马 在洛杉矶国际车展上首次公开了小型纯电动车“Mini E”。该车使用能量为35kWh的锂离子电池组，最大续驶里程达250km。2010年秋天，日产汽车推 出了用锂离子动力电池的纯电动汽车Leaf,并宣布到2012年制造20万台的 量产计划。首款量产

11、的增程型雪佛兰沃蓝达(Volt)插电式混合电动车于2010年8月在上海世博会期间正式公布上市，纯电驱动续驶里程可达60km。福特公司也正式推出了2012电动版福克斯3。在“十五”863电动汽车重大专项的支持下，我国研究开发了纯电动、混合动力以及燃料电池汽车等多种动力形式几十个车型，建成了7个示范运行区，共计上千辆电动汽车投入运行。“十一五”期间，国家启动了“863”Baiicn pack图 1.1 电动汽车按电力驱动系统以及内燃机的耦合方式不同的分类Ekln MotorI ntdnionid c h*c lc7计划节能与新能源汽车重大项目，新一轮示范运行区/城市的建设开始启动， 已经有一大批节

12、能与新能源汽车投入示范运行和小批量运行。自2009年2月17日“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”启动，截止2011年3月，25个试点城市已累计推广新能源汽车10000辆，建成104座充电站，8座换电站，换电桩1494个，加氢站2个。以几大中心城市为例：北京于08年开启了新能源汽车的示范运行， 属于国内最先进行也是规模 最大的新能源汽车示范运行试点城市，08年投放485辆新能源汽车。从2008年到2011年年底财政投入为11.32亿。目前，北京81路、84路、90路的三 个公交线路先后投入近百辆电动公交车进行示范运营。截止2011年6月底，北京采购完成1100辆新能源汽车。上海09年和

13、2010年的目标，是借助2010年世博会契机，开展节能与新 能源汽车示范。上海第一阶段示范运行的节能与新能源汽车数量为1284辆， 其中混合动力汽车500辆，纯电动汽车588辆，燃料电池汽车196辆。其中， 燃料公交客车6辆。世博会期间，投运的新能源汽车为1147辆，纯电动汽车451;燃料电池汽车196辆，混合动力汽车500辆。广州以第16届亚运会为契机，在整个亚运会的运行期间，广州市共使用 了360辆新能源汽车。具体包括：混合动力公交客车174辆，纯电动公交客车26辆，混合动力公务车100辆，燃料电池观光车60辆。在亚运会期间， 建成了一座广州大学城纯电动公交车充电站，占地1500平方米，可

14、满足50辆纯电动公交客车充电规模。（1座亚运城智能公共充电站、10个慢速充电桩、1个燃料电池汽车加氢基地）。2008年起，陆续投入60辆油电混合动力公交 车用于公交线路示范运行；26辆纯电动公交车，设立了首条纯电动公交车专 线，中山纪念堂至广州大学城之间示范运行，区间往返行驶里程达60公里。1.3 电动汽车车载动力源简介电动汽车的车载动力源，如上所述，除混合动力车所需的内燃机之外， 最主要的部分就是电池。目前市场上的电池主要包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及超级电容等。8由于各类汽车混合程度多有不同，因而对电池性能参数的要求也各有不 同，但是电池的总体评价可由以下各指标评定。1）能量密度高

15、 指电池的质量比能量和体积比能量，亦即单位质量或单 位体积的电池所能供给的能量。比能量越高，同一质量或同一体积电池所储 存和释放的电能就越多。显然，使用比能量高的电池体系有助于降低动力电 池的质量和体积，提高电动汽车的有效载荷量，乃至它的一次充电续驶里程 因此，能量密度是评价动力电池应用性能的一个最重要指标2）比功率大 指单位质量或单位体积电池所能输出的功率，分别称为质 量比功率和体积比功率。比功率越高，则单位时间电池的输出能量越大，电 动汽车的加速性能和爬坡性能就愈优越。就混合动力车而言，如电池系统的 比功率大，其制动能量回收的效率一般就越高，节油效果也越理想3）循环或使用寿命长其含意即指一

16、定的充放电制度或工况条件下，电 池容量降到某一额定值前所经历的充放电次数。循环寿命越长，则电池在正 常使用周期内支撑电动汽车行驶的里程数就越多，有助于降低车辆使用期内 的运行成本4）均匀一致性好，可靠性高对于电动汽车而言， 电池组的工作电压大多均应达到数百伏，这就要求至少有几十到上百只电池的串联为达到设计容 量要求，有时甚至需要更多的单体并联由于电池组的使用性能会受到性能最 差的某些单节电池的制约，因此设计上要求各电池单体在容量、内阻、功率 特性和循环特性等方面具有高度的均匀一致性，而运行过程中高的可靠性， 则有利于减小汽车的维修次数和维修成本5）高低温性能好，环境适应性强电动汽车作为一种交通

17、工具，要求电池不仅能在北方冬天极冷的气温下， 而且能在南方夏天炎热环境中长期稳定 地工作在最恶劣的气候条件下，因此，要求电池应当具有良好的高低温特性6）安全性好 能够有效避免因泄漏短路撞击颠簸等引起的起火或爆炸等9危险事故发生，确保汽车在正常行驶或非正常行驶过程中的安全7）自放电率低自放电是电池在开路状态下自动放电致使电池容量降低的 现象其自放电程度，由自放电率表示，即单位时间内容量降低的百分数8）价格低廉 包括材料来源丰富，电池制造成本低，以使降低整车价格, 提高电动汽车的市场竞争力9）绿色环保 要求电池制作的材料与环境友好无二次污染，并可再生利 用103io2ioJ Specific po

18、wer (W/kg)图 1.2 电动汽车能量源性能对比由上图可知，尽管如今电源技术取得了长足的进步，但是电池的性能仅 足够满足Acceleratio104102101101(6壬LIM)旨匸心Q匸Ods10混合动力汽车（插入式），距离纯电EV实现的目标还有一段路程要 走。其中，锂电池（Li-ion） 无论在比能量还是比功率上， 都要优于镍氢电池（NiMH）和铅酸（Lead acid电池，这也是近些年来，各家汽车企业纷纷将锂电池 选用为车载动力电池的重要原因。超级电容虽然比能量并不高（大约在10Wh/kg以下），但是它的比功率非常可观，可以达到大约10kW/kg。而且超 级电容有一个其它电池无法

19、比拟的优势，即它的充放电仅仅是物理层面的，并不涉及任何的化学反应，因此超级电容可以拥有很大的充放电电流。在超 级电容应用层面上，现在主要存在着两种应用方式：单纯由超级电容供电的电容车：超级电容的比功率大，充电放电电流大， 充放电所需的时间比较短，低温特性好，使用循环寿命长等特点4，但是其 比能量有限，因而适用于运行线路较短（20公里以内）的城市公交汽车。5超级电容-动力电池式复合电源纯电动汽车：和超级电容相比，车载动力 电池具有比能量大的优势，可以大大延长电动汽车的续驶里程。可是尽管电 池技术迅速发展，动力电池的充放电性能大大提高，电池成本明显降低，电 池在电动汽车的使用过程中始终面临着电池的

20、重量过大，当大电流的充放电 频繁出现时电池寿命明显降低等现象。这时可以将超级电容和动力电池进行 优化组合，以实现对动力电池运行过程削峰填谷的效果。国内对超级电容-动力电池的复合电源的研究主要有吉林大学的于远彬副教授， 研究成果预计将 在几年内交付实车进行产业化生产。11第 2 章热管理系统的研究现状2.1 动力电池热管理的必要性2.1.1锂离子电池工作原理电池放出的热量取决于电池的电学、 机械、物理、化学方面的属性和特 征，其中，电学方面的属性占主导地位，其次，电池反应时的化学反应热也 是电池生热是重要组成部分。目前，市场上车载动力电池多采用锂离子电池， 而磷酸铁锂电池又以其 造价相对较低，比

21、能量和比功率相对较高，安全性好的特点，被广大汽车厂 商使用。以锂离子电池为例：锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料，以碳素材料为负极，锂元素以锂离子形式存在的电池。锂离子电池的充放电过程就是锂离子以及 伴随着与锂离子等量的电子的嵌入与脱嵌过程。当对电池进行充电时， 锂离 子从电池正极生成，经过电解液运动到负极，然后嵌入到呈层状结构的负极 微孔中，微孔中嵌入的锂离子越多，动力电池充电容量越大。同理，当对电 池进行放电使用时，锂离子从负极微孔中脱出，经过电解液回到正极，正极 返回的锂离子越多，动力电池放电容量越大。因此，锂离子动力电池在充放 电过程中，锂离子实际上处于往返于正负极之间的循环运

22、动， 如图2.1所示。NeigjilkvEreif40fc图 2.1 锂离子电池工作原理图在充放电过程中锂离子电池的反应方程式如下，其中M为金属元素:12正极：LiMO2rLijMO2xLixe_负极：C xLi xe_LixC总反应：LixC Li仁MO2 C LiMO2通过上述对锂离子电池的工作原理的研究，我们可以得到锂离子电池的 生热的化学反应部分。2.1.2锂离子电池工作温度化学电池产生电能的过程是化学反应， 如同其它化学反应一样，电池的 化学反应也有一个最佳工作温度。工作温度不同，电池的放电能力会有差异， 电池内阻也会有很大的变化，如果温度过高或者过低，会严重影响电池组的 寿命，甚至

23、会损坏电池，引发起火爆炸等安全事故。相关实验研究显示：对 于Ni-MH电池，温度对电动汽车动力电池有着双重影响 ，由于充放电或者 环境温度变化，当电池的工作温度升高时，一方面电池内阻会产生变化；另 一方面，电池内部的副反应会加速产生， 进而破坏原有的电池结构，使得电 池受到永久的不可恢复的损伤，影响电池应有的循环寿命。对于锂离子电池， 锂离子电池的性能受环境温度的影响较大，除了因为电极材料及结构和Li+的传输性能发生了部分不可逆变化外，还与锂离子电池使用的电解液是有机 电解液，在低温时导电性能迅速下降，引起电池内阻迅速增大，导致电池在 低温时输出性能变差有关。在充放电过程中内阻增加，会引起电池

24、温升很高，给电池组的安全性和使用寿命带来不利影响。 由此可知，在EV中既要为电池 组提供保温措施，又要提供冷却系统。 为改善锂离子动力电池的温度特性，除 了在电极材料上下功夫以外，降低电池内阻是一个重要的措施。除此之外，电池的一致性也与温度有着非常重要的关系。 锂离子电池组 在应用过程中，会因单体电池性能不一致引起组合后电池组寿命提前终结等问题。在电池组装配以前尽可能提高配组单体电池初始性能一致性和减小使 用过程中差异放大成为锂离子电池应用中的重要问题。单体锂离子电池初始性能的差异主要受到制造工艺水平的影响。在制造过程中，由于工艺上的问 题或材质13的不均匀，使得电池极板活性物质的活化程度、电

25、极的厚度、微孔 率以及注液量等存在很微小的差别，这些微小的差别会对性能产生难以预期 的影响。此外电池组在组装过程中会产生接触电阻差异。初始性能不一致主要依靠分选来解决；循环过程中的差异放大主要通过电源管理系统(BMS对电池组进行状态管理和均衡管理来抑制。在循环过程中造成一致性变差的原 因主要有以下几点8-11:(1)钝化膜的形成、转化和重构。锂离子电池中，电解液和电极表面在 初次放电时会形成一层稳定的，具有保护作用的钝化膜(SEI膜)，会消耗一定 的活性物质。SEI形成后在循环过程中会继续缓慢的生长或转化，它的成分 转化、形貌变化也会导致能量损失。在较高的温度下，SEI可能会被破坏或溶解，被破

26、坏的SEI膜会重构或修补。或者在较高的温度下，SEI中亚稳态的有机成分会转变成无机成分，如LiZC03无机成分更加稳定。使溶剂分子 更难渗入，但是会使SEI膜的Li离子的离子电导率减小，从而增加阻抗。这 些原因都会造成电池容量的损失。(2)正极材料的溶解。LIM nZO结构中的氧原子缺陷能削弱金属原子与氧 原子之间的键能，从而导致锰的溶解，溶解在电解液中的锰离子可能最终会 反应在电极上沉积。这个过程不仅使正极活性物质消耗， 而且会堵塞电极上 的微孔，使锂离子嵌入和脱出困难，造成容量损失。(3)集流体表面形成钝化膜或被腐蚀，PVDF粘结剂会与充电状态的电极反应生成LIF，这些都会造成电池性能的衰

27、减。这些衰减模式进行的速率和 程度会受到电池温度、电池自身活性物质的均匀性、电解液加注量等条件的 影响。这些条件发生变化都会导致电池的衰减速率不一致。因此，对电动汽车动力电池的热管理是非常重要而且必要的。122.2 现阶段电池包热管理技术的应用情况虽然热效应在电池的使用中占有重要的地位， 但是由于种种原因，很多 电池厂商并未仔细考虑电池的热管理，一般的做法仅仅是在一侧或者两侧安 装排气风扇，并14在电池管理系统中设定自动控制风扇开启的温度。然而，当风扇开启时，电池包内部的温度差异会立刻显现，实验数据表明，当长时间 反复充放电后，即使是在室温25度左右的条件，电池的温度也会升高到40度左右，此时

28、开启风扇，整个电池包空气入口处（温度最低点）电池温度与 空气出口处（温度最高点）温差达到15度以上。虽然冷却电池的目的达到 了，然而它带来的负面效应也是不容忽视的： 温度差异会导致电池一致性变 差。长此以往，整体电池包的不一致性加剧，将直接损害电池组整体的循环 寿命。近年来，电池热管理的迫切需求已引起许多电动汽车生产厂商和电池制 造商的关注，目前，市场上动力电池普遍都采用最为简单的空气冷却方式， 一般不采用其它的冷却方式。电动汽车应该用于城市，对于电池的热管理，也应有所侧重。对于南北 城市，应该开发出不同的电池热管理系统以提高性能， 节约成本。对于其续 驶里程和使用时间也应该考虑在内，但是这个

29、条件应该适当淡化。2.3 动力电池热管理系统的发展趋势由于材料技术的迅速发展以及仿真结果的不断修正， 动力电池的热管理 系统逐渐由简单的排列和大功率风扇冷却，向多种排列方式综合考虑和适宜 空气流动相对低功耗的风冷，或者是由液冷及依靠相变材料的相变潜热进行 冷却，由单纯的冷却向加热/冷却一体化控制封装的趋势发展。现阶段，电 动汽车电池包的热管理技术发展的主要趋势是提高车载动力电池的通风散 热性，保证电池组在最优工作温度范围工作， 增强整个电池组的一致性，进 而延长电池组的工作寿命。其次，车载动力电池的电池箱要有良好的密封防 腐能力，能够防水防尘，保证动力电池组有合适的工作环境。最后，出于安全性的

30、考虑，电池组的高压分断、固定、防止电池漏电以及热失控发生之后 的进行及时的保护也是电动汽车电池箱的发展趋势15第 3 章锂离子动力电池单体电池热模型的建立3.1 锂离子电池单体生热机理研究电池在正常温度工作的情况下，电池生热一般只包括四部分：反应热、 极化热、副反应热和焦耳热，以简化电池生热模型。其中，反应热是指由电 化学反应所生成的热量；极化热是指电极溶解时产生的热量；副反应热是指 当有副反应生成时有气体产生所生成的热量；焦耳热是由于电池通过电池， 由欧姆电阻生成的热量。13电池是热的不良导体，仅掌握电池表面的温度分布并不能充分地说明整 个单体电池内部的热状态，只有通过数学模型计算，模拟电池

31、内部的温度场 预测电池的热行为，才能够更好地设计电池组热管理系统。在对锂离子单体 电池生热情况进行计算，进而利用软件模拟生热过程并仿真时， 可以借鉴镍 氢电池的研究成果。当不考虑内部化学生热反应时，镍氢电池的计算及其建 模仿真与锂离子电池是完全相同的。 对于锂离子单体电池，可以在镍氢电池 的研究基础上，在化学反应热部分加以修正。在工程应用中，电池的生热速率很难精确获得，只有通过简化的数学模 型进行计算，或者通过实验进行分析。通常情况下，可以将二者结合起来， 通过数学模型计算之后，利用实验手段进行验证。对于理论计算，常用的计算方法是Bernadi理论计算法，即假设电池是 均匀的，热量在电池中均匀

32、地产生并分布， 依此，建立一种典型的电池生热 速率模型。Q 二1U - U0T：U。j/m3sVb 1已 T其中，Q代表电池的生热量；I代表电池的充放电电流，充电时为正， 放电时为负；U代表电池电压，U0代表电池的开路电压；T代表电池温度,U0:UoT代表温度系数；Vb代表电池体积；（U-Uo）代表焦耳热部分；：丁代表可 逆反应热部分。对于实验分析验证，sato等人通过实验方法分别测出锂离子 电池和镍氢电池16的生热q。并分析认为电池生热主要分为四大部分：有气体 产生得到的副反应热Qs、化学反应产生的反应热Qr（电流充电为负、放电 为正）、欧姆电阻产生的焦耳热Qj、电极溶解产生的极化热Qp。1

33、3。3.2 单体电池生热模型仿真3.2.1 单体电池生热的数学模型国外自上世纪80年代就开始对电池热效应模型进行了分析和研究工作14-15。电池热效应模型包括电池生热速率模型和传热模型，在电池生热速率 的研究方面，1985年，D.Bernadi16假设电池生热在电池体内均匀分布，建 立了一种典型的电池生热速率模型；Fengpei等利用等效电阻来模拟电池， 文中指出电池内阻R由两部分组成，第一部分为欧姆内阻；另一部分为综合 内阻。电池的产热量就等于12R;2000年，Noboru Sato和Kazuhiko Yagi13采用实验测生热速率q,先后应用在镍氢电池与锂离子电池。对于电池产热 可以分为

34、四部分：由化学反应产生的反应热Q,由有气体产生得到的副反应 热Q，由电极溶解产生的极化热Q，由欧姆电阻产生的焦耳热Q；2006年，Kandler Smith等17采用了一维数模型来模拟电池温度场，文中指出电池产 热主要有三部分组成：接触电阻产热Q、焦耳热Q和电化学反应热Q，列 出了对应的计算式，得出电池的生热速率以及生热量。20世纪90年代逐渐开始了锂离子电池传热方面的研究工作，从集中质量模型到三维模型，从普通生热模型到热滥用模型，从单体模型到模块模型。1998年，Gerardine G. Botte18等人使用集中质量模型，针对某Lix/LiyNiQ型锂离子电池讨论了不 同SOCK，电流密度

35、、传热系数、正负极材料属性和密度等对单体温度的影 响，同时还讨论了135C下正极分解反应对单体温度的影响。2001年，Noboru Sato问提出了锂离子电池的生热模型，用集中质量模型针对80 Ah锂离子电池单体进行了仿真，并且通过将单体用绝热材料包裹并测量其实际温度，将仿真值与实验值比较，两者较好地吻合。2002年，Said Al-Hallaj等人20使用一维模型，讨论了相变材料在锂离子电池热管理中的作用，并初17步讨论了电池模块的温度分布，以及大型锂离子电池的温度场问题。同年，Mao-Sung Wu等人21使用Bernardi生热速率模型，研究了某12Ah的圆柱 形锂离子电池在不同散热情况

36、下的温度分布情况。An dreas Vlahi nos等人22使用简单不分层的锂离子电池三维模型，研究了在低温环境下，锂离子电池模块的加热问题，对四种方案进行了讨论，综合讨论后认为用内阻生热对 单体内核加热以及用电热装置对单体外壳加热比较可取。2003年，MatthewA. Keyser等人23对某锂聚合物电池的放电过程进行了热成像分析，结果表明电池单体表面的温度分布是不均匀的，而且靠近极耳处更热。这和电池的电流密度分布是相对应的，说明研究电流密度分布对研究电池单体温度场有 重要意义。2005年，S. C. Chen等人24使用Bernardi生热速率，以考虑 辐射散热和电池单体外壳影响的三维

37、分层模型为基准，系统比较了各种简化 的一维模型、二维模型和三维模型的计算精度和计算量，研究认为内部不分 层的、考虑了辐射散热和电池单体外壳影响的三维模型的计算精度和任务量 比较合适，并以此构建了某一锂离子电池的热模型，分析了放电深度、放电电流、对流换热系数、外壳厚度等对单体热场的影响。2005年，美国国家可再生能源实验室的A. Pesaran等人25发展了氢镍电池模块的三维电-热 耦合模型，该研究对于锂离子电池热模型的研究有重大的参考意义。 在此研 究的基础上，2006年，A. Pesaran等人26针对锂离子圆柱型电池进行研究 构建了电-热耦合模型，对电池的设计方案进行了讨论，得到了电压分布

38、， 进而计算出锂离子电池的温度场。2007年，美国国家可再生能源实验室的Gi-Heon Kim、Ahmad Pesaran等人27发展了一种锂离子电池的三维热滥用 模型。他们在传统三维热模型的基础上，耦合了锂离子电池内部各种可能的 生热反应，详细仿真了电池内部温度场的变化过程。美国加州大学的YufeiChen等在计算锂聚合物电池内部温度场时做出假设，认为电池内部电流密 度均匀分布，组成电池的各种材料质地均匀、密度一致，比热容不变，在同 一方向各处的热传导率相等且不受温度和SOC变化的影响使用的三维圆柱18模型，其数学模型如下:2 2,d T 1 ST ,1 d Tr()dr r c?rr令日其

39、中T、Cp、q 分别为电池的密度、热容和生热速率，r、上、Z 为 电池内部沿法向、径向、z方向的热导率。近年来，由于混合动力车的快速发展，电池运行中热环境的控制受到越 来越多的关注。美国可再生能源实验室通过理论建模和试验分析的方法进行 混合动力车热管理系统的研究工作28:分别建立电池单体和模块的热模型及 热电耦合模型，数值仿真分析电池内部温度场分布、计算生热热量；利用红外线成像仪和液晶热成像仪记录表面温度，在电池内部布置热电偶测量内部温度场，通过Aero Vironment和NRELs Calorimeter等仪器测量生热量； 然后对理论计算和测试结果进行比较和验证；预测电池模块和电池组生热

40、量；热管理系统的设计、评估与优化。此外，Toyota、Panasonic、Ovonic等汽车或电池公司在热管理系统设计方案以及技术评估等方面也做了大量 工作。国内自上世纪90年代开始动力电池研究以来，研究工作多侧重于工程 应用，采用手段也以试验研究为主2931。近年来开始应用理论建模和仿真 方法分析来研究电池传热与热管理系统优化设计等问题，但研究对象多为镍氢电池昭昭。对锂离子电池的研究还始于本世纪初，2006年，陈玉红等36人在锂离子电池爆炸机理研究中分析了锂离子电池内部热量的来源和产生 的原因，为锂离子电池生热机理的研究提供了理论依据。2008年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所颜剑、张

41、健等37人建立一个单体锂离子电池系统的三维热失控模型，以期更好地理解其中的安全性问题。同年，张遥、白杨等38人在动力用锂离子电池热仿真分析中，应用CFD-ACE软件，通过建立模型求解的仿真手段， 对15Ah动力用锂离子电池在0.5C充放电条件下 进行热仿真分析，结果表明：电极和电解液固然是决定电池热效应的根本要2T/q19素，但引流极耳、极柱和壳体的优化设计将显著改善电池的热分布，并可以使最高温度不发生在电极部分， 这在动力电池高功率输出的情况下尤为重 要。2009年，清华大学林成涛等39人介绍了国内外关于锂离子电池热模型 的研究进展，包括电化学-热耦合模型、电-热耦合模型和热滥用模型，以及

42、以这些模型为基础，在锂离子电池单体设计、热管理和安全性研究方面做的 工作。同年，同济大学王峰、李茂德40基于国内外实验和理论分析，概述了 几种电池热效应模型，并对某种锂离子电池的生热量进行了计算，得到了放电过程中的产热值及电池温度场分布，为将来进行锂离子电池温升效应研究 及散热措施提供了依据。上海交通大学秦明俊41等人建立了镍氢电池三维、 非稳态传热模型，从理论上分析了镍氢电池的温度场，该传热模型可用于镍 氢电池的工程设计和参数优化，对锂离子电池热管理系统设计也有一定的指 导意义。322基于有限元的计算流体力学热仿真软件ANSYS绍ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型

43、通 用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计 中的高级CAE工具之一。FLUENT属于ANSYS勺一个模块，是计算流体力学CFD中最为优秀的软 件之一，丰富的物理模型使其应用广泛，从机翼空气流动到熔炉燃烧，从鼓 泡塔到玻璃制造，从血液流动到半导体生产，从洁净室到污水处理工厂的设 计，另外软件强大的模拟能力还扩展了在旋转机械，气动噪声，内燃机和多相流系统等领域的应用。今天，全球数以千计的公司得益于FLU

44、ENT勺这一工程设计与分析软件，它在多物理场方面的模拟能力使其应用范围非常广 泛，是目前功能最全的CFD软件。计算网格是任何CFDComputatio nal Fluid Dyn amics), 即计算流体动力学)计算的核心，它通常把计算域划分为几千甚至几 百万个单元，在单元上计算并存储求解变量，FLUENT使用非结构化网格技 术，这就意味着可以有各种各样的网格单元：二维的四边形和三角形单元， 三维的四面体核心单元、六面体核心单元、棱柱和多面体单元。这些网格可 以使用FLUENT勺前处理软件GAMBIT!动生成，也20可以选择在ICEM CFD工 具中生成。在目前的CFD市场，FLUENT以其

45、在非结构网格的基础上提供丰富物理 模型而著称，久经考验的数值算法和鲁棒性极好的求解器保证了计算结果的 精度，新的NITA算法大大减少了求解瞬态问题的所需时间，成熟的并行计 算能力适用于NT, Linux或Unix平台，而且既适用单机的多处理器又适用 网络联接的多台机器。动态加载平衡功能自动监测并分析并行性能，通过调整各处理器间的网格分配平衡各CPU的计算负载。FLUENT也提供一系列应 用广泛的对流、 热传导及辐射模型。FLUENT提供专门的工具用来生成几何 模型及网格创建。GAMBIT允许用户使用基本的几何构建工具创建几何，它 也可用来导入CAD文件，然后修正几何以便于CFD分析， 为了方便

46、灵活的生 成网格，FLUENT还提供了TGrid，这是一种采用最新技术的体网格生成工具。 这两款软件都具有自动划分网格及通过边界层技术、非均匀网格尺寸函数及 六面体为核心的网格技术快速生成混合网格的功能。对于涡轮机械，可以使用G/Turbo，熟悉的术语及参数化的模板可以帮助用户快速的完成几何的创 建及网格的划分。FLUENT勺后处理可以生成有实际意义的图片、动画、报告，这使得CFD的结果非常容易地被转换成工程师和其他人员可以理解的图形，表面渲染、 迹线追踪仅是该工具的几个特征却使FLUENT的后处理功能独树一帜。FLUENT勺数据结果还可以导入到第三方的图形处理软件或者CAE软件进行进一步的分

47、析。FLUENT软件所具有的功能及特点汇总如下42:1.完全非结构化网格FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法2.定常/非定常流动模拟新功能21FLUENT软件新增快速非定常模拟功能。3.先进的动/变形网格技术FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生 成。FLUENT解算器包括NEKTON FIDAR POLYFLOWICEPAK以及MIXSIM。 网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局 部网格重生式是FLUENT所独

48、有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变 形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定 的问题。4.多网格支持功能FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合 网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多 种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相 结合的技术。5.多种数值算法FLUENT软件采用有限体积法，提供了三种数值算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，分别适用于不可压、亚音速、跨音速、超音 速乃至高超音速流动。是商用软件中最多的。下面具体说明如下：1)非耦合隐式算法(Segrega

49、ted Solver)该算法源于经典的SIMPLE算法。 其适用范围为不可压缩流动和中等可 压缩流动。这种算法不对Navier-Stoke方程联立求解，而是对动量方程进行 压力修正。该算法是一种很成熟的算法，在应用上经过了很广泛的验证。 这 种方法拥有多种燃烧、化学反应及辐射、多相流模型与其配合，适用于低速 流动的CFD模拟。2)耦合显式算法(Coupled Explicit Solver)22这种算法由FLUENT公司与NASA联合开发，主要用来求解可压缩流动。 该方法与SIMPLE算法不同，而是对整个Navier-Stoke方程组进行联立求解， 空间离散采用通量差分分裂格式，时间离散采用多

50、步Run ge-Kutta格式，并采用了多重网格加速收敛技术。 对于稳态计算， 还采用了当地时间步长和隐 式残差光顺技术。3）耦合隐式算法（Coupled Implicit Solver）该算法是其他所有商用CFD软件都不具备的。该算法也对Navier-Stoke方程组进行联立求解，由于采用隐式格式，因而计算精度与收敛性要优于Coupled Explicit方法，但却占用较多的内存。该算法另一个突出的优点是可 以求解全速度范围，即求解范围从低速流动到高速流动。6.先进的物理模型FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，FLUENT软件能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart

51、-Allmaras模型、k-w模型组、k-&模型组、雷诺应力模型（RSM组、大涡模拟模型（LES组以及最新的分离涡模拟（DES和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型（包含了多种湍流模型，针对不同的问题可以采用更恰当的模型进行模拟）；适用于牛顿流体、非牛顿流体；可以完成强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射等计算。323单体电池生热模型仿真电池的热效应模型研究始于上世纪八十年代，从单一集中质量模型发展 到一维、二维、三维模型，建立模型的精度和准确性逐渐提高，其中以三维 热效应模型最为准确，是未来电池热效应模型的发展趋势40。本文对电池做 出假设，认为电池内

52、部电流密度均匀分布，组成电池的各种材料质地均匀、 密度一致，比热容不变，在同一方向各处的热传导率相等且不受温度和SOC变化的影响。基于上述假设采用美国加州大学的Yufei Chen等在计算锂聚合 物电池内部温度场时使用的三维圆柱模型43，其数学模型如下：TT 1T、1 TT:C()qctcr rcrc z23在轴对称的情况下式中第2项可略去其中匸、Cp、q 分别为电池的密度、热容和生热速率，、二、Z为电池内部沿法向、径向、z方向的 热导率。通过对电池电化学-热耦合有限元模型进行热物性参数的确定和边界条 件的定义， 即可完成了电池热效应模型的建立，下面进行电池热物性参数的 确定，具体参数如表3.

53、1所示：电池热容的确定。一般情况下，电池热容可认为是常数，只和组成物 质有关，可通过测量电池组成物质的热容按质量加权法得到46：CpCimimi式中：Ci、mi分别为电池各组成物质的热容和质量，m为电池质量。电池材料各向热导率的确定。 电池内部沿r、八z方向的热导率可通过类似计算电路等效电阻法按照串并联方式来计算。电池密度的确定。电池平均密度为电池质量同电池体积之比质量密度比热容热导率打Xz0.085kg2425.6kg/m3640J/kg.K0.74W/m.K0.74W/m.K0.84W/m.K表 3.1 电池热物性参数表（磷酸铁锂电池）电池热效应模型的仿真分析可采用两种方法：流体动力学方法

54、和有限元 方法，均要建立电池的有限元模型。流体动力学方法就是把现有电池系统内 部视为一个温度场，内部热源均匀分布，通过建立输运方程并引入若干边界 和初始条件计算求解得到电池内部温度分布，然后通过实验确定模型中的参 数，对电池热效应模型进行必要的修正，这种模型忽略了电池内部反应的差异，适用于不同种类的电池，因此本文采用ANSYS中的FLUENT软件对锂离子动力电池热效应模型进行流体动力学方法求解。24第四章 温度对电池一致性的影响分析4.1 国家 863 计划对锂离子电池的技术指标我国为了推动汽车产业跨越式发展， 实现国家汽车产业的弯道超车，在863计划中对电池的功率密度、能量密度、充放电能力、

55、内阻、初始一致性、 荷电状态估算等进行了规范。容量规格（Ah）8、2050100功率密度（W/kg）1800700500能量密度磷酸铁锂65110110(Wh/kg)锰酸锂70120120最大放电倍率30C(20s)6C(30s)5C(30s)最大充电倍率10C(10s)4C(60s)4C(60s)单体电池内阻（mQ）2.03.02.5单体电压偏差（V）0.02单体容量偏差（）90%soC古算误差（）525安全性通过行标或规范要求电池组循环寿命（万公 里）15（磷酸铁锂），10（锰酸锂）可靠性在环境相对湿度100%条件下，动力蓄电池组能够正 常工作；满足整车行使3万公里型式试验的相关要求。成本

56、（兀/Wh）322表 4.1 国家 863 计划规定的动力蓄电池技术指标1咼功率型，其余为咼能量型。2动力蓄电池系统。3循环寿命里程按工况法测试或等效测试。4动力蓄电池系统（不含管理系统）。由此可以看出，国家在863计划中对电池技术指标的规定中并无对单体 电池之间温度差的影响，这导致了电池厂商生产的电池在技术指标达到之 后，在实车运行中出现电池包温度差过大，个别单体电池的容量下降，内阻 急剧升高等一致性变差的现象，这不仅降低了新能源汽车的动力性，也使得 新能源汽车的经济性下降，成本升高。4.2 温度对锂离子电池容量的影响电池组中各单体电池之间存在的初始性能不一致性，及连续的充放电循 环导致的单

57、体电池的差异放大，将使某些单体电池容量加速衰减，从而使电 池组过早失效。因此锂离子电池的组合应用不仅要求单体电池的性能指标达 到规定的要求，对参与配组的单体电池性能的匹配也有严格的要求。单体电池的差异主要由以下方面构成：组合封装前单体电池初始性能差异；循环存储中性能变化的不一致导致的性能差异的放大。电池组初始成组时单体之间26的不一致会导致短板效应，即较大容量的电池不能充分发挥应有的作用，而是形成“闲置容量”旳而在动力电池使用过程中出现单体电池性能不一致则 会导致单体电池过充或者过放，不仅会大大减少个别单体电池的寿命， 进而 减少整个电池组寿命，严重时还会出现电池副反应加剧而起火爆炸。温度对动

58、力电池一致性的影响。单体之间的不一致一方面是由电池出厂 时自身的特性波动性差异造成，而另一方面是由电池各个单体之间的使用条 件不同造成的。本文将研究温度的差异对电池一致性的影响。实验方法是： 分别在不同的温度条件下对电池进行多次充放电， 若干次循环之后，检测各电池单体的容量、内阻等特性参数。4.3 温度对锂离子电池内阻的影响电池的各项技术参数都与电池的温度有关。电池的内阻是动力电池最为 重要的技术参数之一。它在估算电池寿命方面以及电池大电流充放电过程中 具有重要意义。锂离子电池的内阻在使用过程中主要受两种因素影响，即荷电状态（State Of Charge SOC和温度。目前由于锂离子电池内部

59、化学反应 比较复杂，其中各反应物及隔膜状态不能完全掌握，只能由实验方法得出锂离子电池的内阻与温度之间的关系，并拟合出经验公式。实验将采用混合脉冲功率特性测试方法（Hybrid Pulse Power Characterization, HPPC测试不同温度下的充放电内阻，此种测试方法简单 快捷，同时不失准确。HPPC方法是2001年美国PNGV测试手册中提出的测 试方法,后来沿用到2003年FreedomCAF项目制定的功率辅助型混合动力汽 车用动力电池测试手册中。该方法使用一组放电脉冲和再生脉冲计算得到电池在不同放电深度（DOD下的放电和再生内阻,测试工艺如图4所示。PNGV测试手册中规定放

60、电脉冲时间为18s,再生脉冲2s;FreedomCAR中相应将放27电及再生脉冲时间统一为10s。使用测试结果可以同时计算电池及电池系统 可利用能量和可利用功率，以及电池欧姆内阻和极化内阻与电池SOC的函 数关系，确定电池在放电、静置和再生等情况下的响应时间常数等。实验原理如下：对电池组加载脉冲电流后， 电池组的电压响应首先会出 现一个跳跃式的压降，接着电池端电压开始缓慢下降，而停止加载电流之后, 电压响应也是先出现一个跳跃式的电压反弹，接着电压开始缓慢升高，图4.1中OR段和PR段分别为电池充放电过程中欧姆内阻和极化内阻引起的电 池压降，显然，根据欧姆定律，相应的电压降除以充放电电流即是对应的电 阻