鋰離子電池?zé)崽匦愿攀?.1鋰離子電池基本結(jié)構(gòu)及工作原理鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)：鋰離子電池是指鋰元素以鋰離子的形式存在，并與正負(fù)極材料結(jié)合在一起的電池的總稱。鋰離子圓柱形電池的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。它主要由收集液、正負(fù)極、隔膜和電解液組成，負(fù)極為石墨，正極材料一般為金屬氧化鋰，電解液為有機(jī)溶劑或鋰鹽。圖2-1鋰離子電池的結(jié)構(gòu)鋰離子電池的工作原理：從圖2-2中可以看出。鋰離子電池的工作過程，主要是鋰離子在正極和負(fù)極中間不斷地移動(dòng)，使電池內(nèi)部產(chǎn)生能量。充電時(shí)，鋰離子離開正極材料，通過電解液從電池內(nèi)部進(jìn)入負(fù)極。在這個(gè)時(shí)候，正極有電子流出，從外部電路的正極慢慢的向負(fù)極移動(dòng)。放電過程與其恰恰相反。此外，鋰離子遷移的數(shù)量越大，電池的容量也就越大。圖2-2鋰離子電池的工作原理1.2鋰離子電池的生熱特性分析鋰離子電池的散熱過程是一個(gè)非常繁復(fù)的過程。為了方便計(jì)算，簡單處理電池?zé)嵩吹臑榉磻?yīng)產(chǎn)生的熱Q、副反應(yīng)產(chǎn)生熱QS、焦耳反應(yīng)產(chǎn)生熱QJ、極化反應(yīng)產(chǎn)生熱QP。反應(yīng)熱：我們可以從電池的工作本質(zhì)得出，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量是由于鋰離子電池在充放電過程中，電池中的離子在正極和負(fù)極之間進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí)而產(chǎn)生的熱量。焦耳熱：在工作過程中，當(dāng)電流流過電池結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一部分熱量，這部分熱量就是焦耳熱。極化反應(yīng)熱：鋰離子電池在充電和放電時(shí)，其表面電極的實(shí)際電勢(shì)會(huì)偏離平衡電極電位，這種現(xiàn)象稱為極化。極化反應(yīng)產(chǎn)生的熱是指由于鋰離子電池在發(fā)生極化現(xiàn)象時(shí)，平均端電壓與開路電壓之間存在電壓差值而導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量。影響極化反應(yīng)熱的主要因素是電流的大小、外界溫度、電池的種類等。他是一個(gè)標(biāo)量值在充放電狀態(tài)下是正值，且在充放電結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生的熱量明顯增加。副反應(yīng)熱：副反應(yīng)熱是指鋰離子電池在工作過程中的側(cè)向反應(yīng)，再加上主要的化學(xué)反應(yīng)，如電極材料分解反應(yīng)產(chǎn)生的熱量、電解液在高溫下分解產(chǎn)生的熱量等散發(fā)熱量的形式都是化學(xué)反應(yīng)。因?yàn)楦狈磻?yīng)產(chǎn)生的熱量非常小，所以在實(shí)際計(jì)算中被當(dāng)做沒有產(chǎn)生熱量來處理。1.3電池散熱理論鋰離子電池在工作過程釋放的熱量主要有兩個(gè)去向：一個(gè)去向是電池本身吸收的熱量，另一部分是通過介質(zhì)相互傳遞，然后擴(kuò)散到電池外部環(huán)境。具體分析情況如下：(1)電池在放電過程中，電池會(huì)吸收熱量，從而使溫度升高。因此，這部分電池吸收的熱量可由以下數(shù)學(xué)方程求出：QB=m式中mCTT根據(jù)這個(gè)式子就可以計(jì)算電池吸收的熱量。（2）鋁板鋁板有非常好的導(dǎo)熱能力而且密度較低，近些年在散熱方面也是得到很多的應(yīng)用。（3）相變材料在有相變材料的鋰離子電池模組中，由于相變材料的潛熱較高，所以相變材料在吸熱方面起著重要作用。它的工作方式是，在溫度低時(shí)，相變材料是固體狀態(tài)。如果溫度升高，相變材料就會(huì)熔化，熔化的時(shí)候帶走部分熱量。而這部分的熱量是不能忽視的，可以用下面的數(shù)學(xué)公式來表示：QPCM=mPCM式中mCTTH（4）冷卻水對(duì)于液體冷卻來說，需要快速的將鋰離子電池中產(chǎn)生的熱量帶走，不然相變材料儲(chǔ)存的熱量會(huì)變多，從而對(duì)相變材料的性能產(chǎn)生影響，這就是為什么它的導(dǎo)熱系數(shù)低的原因。冷卻水由于其質(zhì)量流量可控，吸熱較快，因此可以快速帶走熱量，但也影響了吸熱的均勻性。冷卻水輸送的熱量Qw可由以下公式得出：QW=C式中TTμPC（5）空氣空氣產(chǎn)生自然對(duì)流，從而帶走電池散發(fā)的一部分熱量。這部分熱量的數(shù)值和外界與電池之間的溫差、電池與空氣的接觸面積和對(duì)流傳熱系數(shù)有很大關(guān)系。因此，這部分QairQair=h式中hATT電池的溫度管理結(jié)構(gòu)是為了給電池創(chuàng)造一個(gè)更有效的溫度環(huán)境，鋰離子電池吸收熱量，溫度就會(huì)升高，所以，控制鋰離子電池吸收的熱量控制鋰離子電池的溫度，熱量需要控制在有效范圍內(nèi)?？梢缘贸鲆韵虏坏仁剑?tQdt?所以，在鋰離子電池模組的工作過程中，為了使工作溫度合理和安全，工作過程要滿足以下公式：0tQdt?1.4CFD軟件概論及仿真控制理論ANSYS軟件是CAE工程的輔助工具之一，它集成了結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場等各方面的研究。ANSYS是第一個(gè)獲得質(zhì)量體系認(rèn)證的大型分析計(jì)算軟件。得到我國國務(wù)院批準(zhǔn)使用，受到很多國家的認(rèn)可，有很高的評(píng)價(jià)。有限元數(shù)值模擬技術(shù)的不斷更新?lián)Q代和迅速發(fā)展，在目前CAE工具已經(jīng)能夠解決一些復(fù)雜的問題。目前，ANSYS在所有仿真軟件里面被越來越多的人推崇，首先它的頁面布局簡潔明了，操作也不復(fù)雜，對(duì)剛開始學(xué)習(xí)仿真分析的人來說是很方便學(xué)習(xí)的。另外，它的功能非常強(qiáng)大，能夠達(dá)到用戶對(duì)工程問題的各種要求。特別是對(duì)于熱力學(xué)分析和流體分析，分析結(jié)果清楚而又面面俱到，能夠?qū)σ恍┘?xì)小的問題可以清晰的表達(dá)出來，而且仿真云圖新穎直觀，可以快速反映出所有問題的變化與要點(diǎn)，既形象又生動(dòng)的給用戶一個(gè)視覺上的觀看。最后，利用計(jì)算機(jī)模擬，只需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)就可以控制計(jì)算機(jī)根據(jù)能量守恒方程、質(zhì)量守恒方程等進(jìn)行模擬，而且模擬結(jié)果不但準(zhǔn)確，還非常詳細(xì)。因此，它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的仿真分析和優(yōu)化方面具有非常突出的用處。鋰離子電池溫度管理系統(tǒng)的散熱分析包括溫度分析、流體分析、電化學(xué)分析傳熱學(xué)分析等很多不同的工程分析。在這些基礎(chǔ)上，本課題采用ANSYSFLUENT16.0仿真軟件。該軟件因其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性好，在流體仿真和溫度仿真學(xué)習(xí)中得到了廣泛的應(yīng)用。在整個(gè)鋰離子電池工作過程中，系統(tǒng)板塊都受到各種設(shè)置的物理定律的制約，其中就有大家熟悉的質(zhì)量守恒、力矩守恒和能量守恒等物理定律。質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒定律得到該過程是連續(xù)不斷的，單位個(gè)體在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)連續(xù)進(jìn)入在另一個(gè)空間里的微元體，從而得出的靜質(zhì)量和在單位時(shí)間里出現(xiàn)的一堆個(gè)體是不會(huì)變化的，用式子描述：?p?t+?(式中ptu在本課題中，我們都知道流體都為無法進(jìn)行壓縮的，因此將流體密度看作是常數(shù)，并且將其簡化為：