锂离子动力电池单体电池热模型的建立文档格式.docx
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2.2现阶段电池包热管理技术的应用情况14
2.3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体电池热模型的建立16
3.1锂离子电池单体生热机理研究16
3.2单体电池生热模型仿真17
3.2.1单体电池生热的数学模型17
3.2.2基于有限元的计算流体力学热仿真软件介绍20
3.2.3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26
4.1国家863计划对锂离子电池的技术指标26
4.2温度对锂离子电池容量的影响27
4.3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29
4.1车载动力电池冷却方式的选择29
4.2车载动力电池的结构设计31
4.3基于FLUENT的热模型仿真33
结束语34
参考文献35
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[1]～[2]。
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。
由于传统汽车的动力来源几乎全部来自于石油的炼制品，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。
7、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。
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
1.2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StellaPHEV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“MiniE”。
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”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。
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
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（Leadacid）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。
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动，如图2.1所示。
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：
正极：
负极：
总反应：
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[6]，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。
[7]
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的不均匀，使得电池极板活性物质的活化程度、电极的厚度、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LiZCO3。
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。
LIMnZO;
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。
[12]
2.2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。
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，热量在电池中均匀地产生并分布，依此，建立一种典型的电池生热速率模型。
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，
代表温度系数；
Vb代表电池体积；
（U-U0）代表焦耳热部分；
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。
[13]。
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.Bernadi[16]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I2R；
2000年，NoboruSato和KazuhikoYagi［13］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四部分：
由化学反应产生的反应热Qr，由有气体产生得到的副反应热Qs，由电极溶解产生的极化热Qp，由欧姆电阻产生的焦耳热Qj；
2006年，KandlerSmith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Qc、焦耳热Qj和电化学反应热Qr，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，GerardineG.Botte[18]等人使用集中质量模型，针对某Lix/LiyNiO2型锂离子电池讨论了不同SO
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