1緒論II鋰離子動(dòng)力電池?zé)崽匦耘c數(shù)值分析理論基礎(chǔ)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u13670鋰離子動(dòng)力電池?zé)崽匦耘c數(shù)值分析理論基礎(chǔ)綜述 119521.1鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理 1179361.1.1鋰離子電池的結(jié)構(gòu) 1251.1.2鋰離子電池的工作原理 2296711.2鋰離子電池生熱與傳熱分析 3278901.1.1鋰離子電池生熱機(jī)理 355991.1.2鋰離子電池傳熱特性 5272911.3鋰離子電池溫度場(chǎng)的仿真分析理論基礎(chǔ) 668621.3.1CFD基本控制方程 6266681.3.2CFD的基本求解過程 71.1鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理1.1.1鋰離子電池的結(jié)構(gòu)根據(jù)鋰離子電池外形的不同，可分為圓柱形、方形、軟包形等多種類型，電池內(nèi)部主要由正極、負(fù)極、隔膜、電解液和安全閥等構(gòu)成。圓柱形和方形鋰離子電池的結(jié)構(gòu)分別如圖2-1和2-2所示。和圓柱形一樣，方形電池的蓋子上也有一種經(jīng)過特別處理的破裂閥，以避免因電池內(nèi)部壓力過高而造成的安全隱患。該閥門是電池的最后一道安全措施，當(dāng)它被開啟時(shí)，它將會(huì)起到保護(hù)作用，使電池停止充放電。方形鋰離子電池的正負(fù)極片和圓柱形一樣也是卷繞起來的，與方形MH-Ni或Cd-Ni電池的堆疊結(jié)構(gòu)完全不同。不同的是，方形電池的正極柱是一種金屬-陶瓷或金屬-玻璃絕緣子，在陽(yáng)極和外殼體之間起到了隔離作用。圖2-1圓柱形鋰離子電池圖2-2方形鋰離子電池的結(jié)構(gòu)由于正極、負(fù)極、電解液的材質(zhì)和加工方法的不同，導(dǎo)致了電池的特性和名字也各不相同。目前，鈷酸鋰（）是組成鋰離子電池正極的主要材料，但也有少量的錳酸鋰（）和鎳酸鋰（），通常將后兩種材料命名為“鋰錳電池”和“鋰鎳電池”。以磷酸鐵鋰（）作為正極材料的電池，是一種新型的鋰離子電池，還有一種為三元鋰（）電池，各電池的具體性能以及應(yīng)用領(lǐng)域的對(duì)比如下表2-1所示。表2-1鋰電池性能比較性能鈷酸鋰錳酸鋰鎳酸鋰磷酸鐵鋰三元鋰電壓平臺(tái)/V3.73.83.03.23.5最大充電電流/C0.7~130.7~111循環(huán)次數(shù)≥500≥300≥300≥2000≥500熱失控溫度/℃150250200270210原料成本很高低廉低廉低廉高環(huán)保含鈷無毒有毒無毒含鎳、鈷安全性能差良好較好優(yōu)秀較好適用領(lǐng)域中小電池動(dòng)力電池、低成本電池制備困難動(dòng)力電池、超大容量電源小電池、小型動(dòng)力電池1.1.2鋰離子電池的工作原理鋰離子電池正極材料采用鋰化合物、、和三元材料的，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物，電解液為有機(jī)溶液。典型的電池體系為： （2-1）在電池充電過程中，鋰離子從正極物質(zhì)中分離出來，流經(jīng)電解液和隔膜后，嵌入陰極；而在放電的過程中，鋰離子也會(huì)從負(fù)極分離出來，同樣地流經(jīng)電解液和隔膜后，嵌入正極。鋰離子在電池充放電期間，在正極和負(fù)極之間來回移動(dòng)，如圖2-3所示。圖2-3鋰離子電池的工作原理以為例，其負(fù)極材料為石墨，而正負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)為： （2-2） （2-3）總反應(yīng)為： （2-4）鋰離子電池中只有鋰離子，沒有金屬鋰的充放電工藝，因而從根本上解決了由于鋰枝晶造成的電池循環(huán)性和安全的問題。1.2鋰離子電池生熱與傳熱分析1.1.1鋰離子電池生熱機(jī)理鋰離子電池的生熱過程比較復(fù)雜，當(dāng)電池充放電時(shí)，由于電池阻抗的影響產(chǎn)生能量損耗，根據(jù)能量守恒原則，損耗的能量會(huì)以熱能的形式呈現(xiàn)。目前將鋰離子電池產(chǎn)生的熱量用方程式表示，總熱量主要由反應(yīng)熱、副反應(yīng)熱、焦耳熱和極化熱等組成，即： （2-5）（1）反應(yīng)熱反應(yīng)熱是由鋰離子電池在充放電過程中的化學(xué)反應(yīng)所形成，它在充電時(shí)會(huì)吸收熱量，在放電時(shí)會(huì)釋放熱量。 （2-6）其中，I為充放電電流，單位A；Q為正負(fù)極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的總熱量，單位kJ/mol；F為法拉第常數(shù)，通常為96484.5C/mol。（2）焦耳熱電池內(nèi)部存在電解液、隔膜等結(jié)構(gòu)，當(dāng)電流經(jīng)過這些帶有存儲(chǔ)電阻的部件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱，也就是焦耳熱，在整個(gè)工作期間，它的數(shù)值都是正的。 （2-7）其中，Re為電池充放電時(shí)的內(nèi)阻，單位Ω。（3）極化熱在有電流流過的情況下，在電極板上會(huì)發(fā)生實(shí)際電極與平衡電極偏離的情況，即電極極化現(xiàn)象，而由電壓壓降產(chǎn)生的熱量就是極化熱，在整個(gè)工作期間，它的數(shù)值也是正的。 （2-8）（4）副反應(yīng)熱副反應(yīng)熱是電池充放電時(shí)，隨之而來的熱量，通常在過充、過放和自放電時(shí)發(fā)生，但通常副反應(yīng)熱較小，可以忽略。綜上所述，鋰離子電池工作時(shí)產(chǎn)生的總熱量可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為： （2-9）其中，為電池的總內(nèi)阻，單位Ω。上述為實(shí)驗(yàn)分析法來計(jì)算鋰離子電池生熱速率，目前在實(shí)際研究中，主要采用理論計(jì)算法。Bernardi等人以電池內(nèi)部生熱是穩(wěn)定且均勻?yàn)榍疤?，建立了一個(gè)理想生熱速率模型，計(jì)算公式如下： （2-10）其中，q為生熱速率，單位；為電池內(nèi)核的體積，單位；和U分別為開路和工作電壓，單位V；T為電池的工作溫度，單位K；為溫度影響系數(shù)，通常忽略不計(jì)。1.1.2鋰離子電池傳熱特性電池在充放電時(shí)產(chǎn)生的熱量Q主要由兩部分組成：一部分為電池本身吸收的熱量，另一部分為傳遞到外界與外界交換的熱量，根據(jù)傳熱學(xué)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，傳遞途徑主要有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射這三種方式。（1）電池本身吸收的熱量： （2-11）其中，C為電池比熱容，單位；M為電池質(zhì)量，單位kg；為電池充放電前后溫度差，單位K。（2）熱傳導(dǎo)物體內(nèi)微觀粒子發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)，熱量從高溫部分傳遞到低溫部分，由傅立葉定律可知其公式為： （2-12）其中，q為熱通量，單位；T為溫度，單位K；x為熱傳遞方向的坐標(biāo)；為熱導(dǎo)率，單位。（3）熱對(duì)流熱量主要由流體以及流體中溫度各不同的部分之間產(chǎn)生的相對(duì)位移來傳遞，溫差和流體流速等因素能影響對(duì)流換熱效果，其公式為： （2-13）其中，q為熱通量，單位；和分別為固體表面和流體的溫度，單位K；h為傳熱系數(shù)，單位。（4）熱輻射在超過絕對(duì)零度的溫度下，物體會(huì)發(fā)出輻射能，一部分被自行吸收，另一部分以電磁波為媒介向外擴(kuò)散。其中，以自身的熱和與冷卻水的對(duì)流換熱為主，僅有少量的熱輻射量，本文可以將其忽略。1.3鋰離子電池溫度場(chǎng)的仿真分析理論基礎(chǔ)鋰離子電池溫度場(chǎng)的研究主要有三種方法：實(shí)驗(yàn)法、解析法和CFD（ComputationalFluidDynamics）仿真分析法。實(shí)驗(yàn)法的結(jié)果直觀準(zhǔn)確，但無法測(cè)量出電池內(nèi)部溫度的分布情況；解析法雖然可以計(jì)算出電池內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布情況，但只適合電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的模型；CFD則利用計(jì)算機(jī)數(shù)值與圖像顯示技術(shù)，對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了時(shí)間和空間的數(shù)值解的定量描述，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)里參數(shù)的精確分析，適用性廣且成本低。因此，本文采用CFD仿真分析法來求解鋰離子電池的溫度場(chǎng)分布，并以此進(jìn)行散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。1.3.1CFD基本控制方程流體流動(dòng)時(shí)均遵循三大基本定律：質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒定律。其控制方程如下： （2-14） （2-15） （2-16）其中，為水的密度；為拉普拉斯運(yùn)算符；為流體的比熱容；為冷卻液的熱導(dǎo)率；p為冷卻液的壓力；