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基于液冷的锂离子动力电池散热结构有限元分析摘要动力电池作为纯电动汽车的能量核心，其性能影响车辆行驶安全。研究电池热管理技术有助于在复杂环境下电池包保持适宜温度，确保安全运行。本文以方形铝壳电池为例，结合理论与数值仿真，进行液体冷却式动力电池散热器结构的设计和优化。首先，对锂离子电池的产热原理、生热速率和传热特性等基本概念进行了深入学习，为后续数值模拟奠定理论基础；通过运用专业仿真软件，分析电池单体在各种放电倍率下的温度变化，以及不同对流换热系数和环境温度对电池温度的影响；我们研究了在各种环境温度下，电池组在不同放电倍率下的热量分布状况,从而得出了散热系统的重要性；对两种传统液冷板的散热性能进行分析，确定冷却液理想的物理参数；提出一种基于多级“Tesla阀”式冷板流道设计，通过改变流道间距、流体流向来优化冷板设计，得出理想的流道设计，其散热性能相较传统冷板有一定提升；最后在电池高温、低温环境工况下检验其散热性能，结果表明其散热性能表现理想。目前由于条件所限，无法通过相关实验来验证实际效果，也是本文中欠缺的部分，故在文中设置两组传统液冷板作为模型的参照组，达到模型优化的目的。关键词：锂离子动力电池；液冷散热；散热结构优化；动力电池热管理Finiteelementanalysisofheatdissipationstructureoflithium-ionpowerbatterybasedonliquidcoolingAbstractAstheenergycoreofpureelectricvehicles,theperformanceofpowerbatteriesaffectsthesafetyofvehicledriving.Thestudyofbatterythermalmanagementtechnologyhelpstomaintaintheappropriatetemperatureofthebatterypackundercomplexenvironmentandensuresafeoperation.Inthispaper,thedesignandoptimizationofliquid-cooledpowerbatteryheatsinkstructureiscombinedwiththeoryandnumericalsimulation,takingsquarealuminum-casedbatteryasanexample.Firstly,thebasicconceptsofheatproductionprinciple,heatgenerationrateandheattransfercharacteristicsoflithium-ionbatteriesarestudiedindepthtolaythetheoreticalfoundationforthesubsequentnumericalsimulation;throughtheuseofprofessionalsimulationsoftware,thetemperaturechangesOfbatterycellsundervariousdischargemultipliersandtheeffectsofdifferentconvectiveheattransfercoefficientsandambienttemperaturesonthebatterytemperatureareanalyzed;westudytheheatdistributionofbatterypacksundervariousambienttemperaturesatdifferentdischargemultipliersTheheatdistributionofthebatterypackunderdifferentdischargemultipliersatvariousambienttemperaturesisstudied,amulti-stage"Teslavalve"basedcoldplaterunnerdesignisproposed,andthecoldplatedesignisoptimizedbychangingtherunnerspacingandfluidflowdirection,andanidealrunnerdesignisderived.Finally,theheatdissipationperformancewastestedunderhighandlowtemperatureconditions,andtheresultsshowedthattheheatdissipationperformancewassatisfactory.Duetothelimitationsofthecurrentconditions,itisnotpossibletoverifytheactualeffectthroughrelevantexperiments,whichisalsothemissingpartinthispaper.Therefore,twogroupsoftraditionalliquid-cooledplatesaresetasthereferencegroupofthemodelinthispapertoachievethepurposeofmodeloptimization.KeyWords:Lithium-ionpowerbattery;liquidcoolingheatdissipation;heatdissipationstructureoptimization;powerbatterythermalmanagement.目录摘要OAbstract11绪论21.1 锂离子电池热管理研究背景与意义21.2 锂离子电池热管理国内外研究现状31.2.1 空气冷却31.2.3 液体冷却41.2.4 相变材料冷却51.3 本文主要研究内容62锂离子电池产热分析72.1 锂离子电池工作特性72.1.1 锂离子电池结构72.1.2 锂离子电池工作原理82.2 锂离子电池生热机理92.3 锂离子电池的传热机理102.4 锂离子电池生热速率和热物性参数112.4.1 锂离子电池生热速率112.4.2 热物参数112.5 CFD理论基础132.5.1 CFD基本控制方程132.5.2 锂离子电池电化学.热耦合模型机理142.5.3 CFD仿真软件152.6 本章小结163磷酸铁锂电池单体热仿真分析173.1 锂离子电池特征参数173.2 单体电池几何模型的建立以及网格划分183.3 电池单体热特性分析193.3.1 不同放电倍率下电池单体的温度分布193.3.2 对流换热系数对电池温度的影响21333环境温度对电池特性的影响223.4 本章小结244锂离子电池组液冷散热仿真分析254.1 锂离子电池模组三维热仿真分析254.1.1 电池模组几何模型的建立254.1.2 电池组网格划分254.1.3 电池组热仿真分析264.2 锂离子电池组液冷几何模型的建立与仿真分析284.2.1 常见液冷板结构建模294.2.2 液冷模型的网格划分30423液冷模型仿真设置314.2.4 液冷仿真结果及分析334. 2.5两种液冷板散热特性分析374.3本章小结385多级“Tesla阀”式液冷板设计与仿真分析395.1 液冷板的设计及仿真分析395.1.1 流体流向对散热性能影响的验证395.1.2 液冷板流道的设计及模型前处理425.1.3 .流体流向对电池组散热的影响435.1.4 .流道间距对电池组散热的影响455.2 不同工况下对电池组的温度情况475.2.1 低温环境下工作475.2.2 高温环境下工作485.3 本章小结496结论与展望506.1 结论506.2 展望50参考文献51致谢541绪论1.1锂离子电池热管理研究背景与意义近年来，随着我国新能源汽车产业的迅速发展，新能源汽车凭借其卓越性能赢得了消费者的喜爱。根据中国汽车工业协会的数据显示，截至2022年8月，新能源汽车的产量和销量分别达到了69.1万辆和66.6万辆，比去年同期增长了12%和12.4%同期增长了1.2倍和1倍，市场份额已经达到了28%,新能源汽车的保有量已经突破一千万辆，市场前景广阔。图1.1为近两年新能源汽车各月的销售图。2022年2021年图1.12021年-2022年新能源汽车销量对比图在国内，锂电池市场由国产厂商主导，磷酸铁锂电池和三元锂电池为两大代表。磷酸铁锂电池以高安全性、长寿命、耐高温和低成本著称；三元锂电池则因轻质、高效率、耐低温和高能量密度受青睐。磷酸铁锂研发聚焦低温性和能量密度提升；三元锂电池则着力高银化和去钻化以降低成本。如1.2图是中国汽车动力电池行业创新联盟数据，过去三年，磷酸铁锂和三元锂占比情况，磷酸铁锂所占比例在不断增加。XUOft«2021*2022*图1.2磷酸铁锂、三元锂电池装机量占比图不同于传统热机，动力电池在运作时将化学能转为电能并输出动能。化学反应中，活性物质受温度影响，使电池模块对温度敏感。为确保稳定性能，最佳工作温度应为2040°C,且电池组内单体间最大温差不超过5,以防局部过热影响安全。电池运行时产生的热量不能够及时排出，会导致电池组热量堆积形成高温，从而降低循环使用寿命破坏电池内部结构，引起燃烧、爆炸等安全事故。目前，电池正负极材料的研究很难有技术性突破，而开发合适的BTMS（电池热管理系统）是当下维护动力电池性能的有力解决方案。图1.3所示是新能源车的自燃事故。图L3新能源车热失控频繁发生根据传热介质的不同，BTMS可分为空气冷却、液体冷却和PCM（相变材料）冷却：空气冷却广泛应用，但效率较低、均温性差；液体冷却通过流动液体换热，具优良均温性和效率；PCM冷却利用相变材料吸收或释放热量，实现电池温控。空气冷却和液体冷却由于无法满足不同复杂工况下的散热要求，对于其优化设计的研究一直是重要科研方向。BTMS是电动汽车“三电”系统不可或缺的一环，其中锂离子电池成本占到“三电”系统成本的60%，所以对于锂电池维护和使用寿命的提高显得格外重要。1-2锂离子电池热管理国内外研究现状1.2.1空气冷却空气冷却是一种常见的散热技术，利用空气作为冷却介质，通过对流换热降低电池温度。这种方法以简单设计、广泛应用和较低成本为优点，但均温性和换热效率较差。目前，研究者致力于改进风冷散热性能，主要关注风道及进出风口优化设计和电池排布设计。图L4为空气冷却系统原理图。电池组ITrm系统风扇(b)空气强制对流冷却系统图1.4两种空气冷却系统Zhang等人采用了一种基于并联空气冷却模式，在空气分配腔内加装扰流片，以改善电池散热效果。XM.Xu囿基于强制风冷的电池包不同进出方式的热流场特性比较，结果表明：电池包的最大温升和温差不仅与流量有关，也与风道结构有关。XUm等人对自然风冷的研究表明，随着进气气流的增加，汽车速度场的振幅也会线性增加，较高速度可以提高电池组的散热性能。风冷具有结构简单、技术成熟、成本低廉等优点，可实现对电池工作温度的有效调控，但受冷却剂及电池壳体结构等因素影响，导致其均温性能较差。此外空气冷却的结构决定了整个电池组无法密封，安全风险高，本文对空气冷却不再研究。1.2.3液体冷却液冷是一种以流体为工质的流动传热，具有比风冷更高的传热系数、更快的降温速率，但存在成本高、密封差等问题。液体冷却系统可以被分成两种类型,一种是接触式，另一种是非接触式，接触式的传热介质是电介质，例如硅基油或矿物油，以避免电气短路；非接触式的传热介质可以是水/乙二醇。目前，对液冷系统的研究主要集中在流体通道的布置与尺寸，冷却介质的材质等几个方面。液冷系统的构成具体包括了动力电池包、散热管道、水泵、冷却液、换热器等,冷却系统的原理图如图1.5所示。电池组(b)主动式液体冷却系统图1.5两种液体冷却系统国内外对冷却流道各项参数的研究较多，Deng等人设计了具有回路的叶状通道作为分散层，建立了沿着对角线的四个收集通道以降低温度梯度，形成双层冷却通道。Li等人基于仿生学知识和人体血管模型，设计了动力电池液冷板的仿生血管结构。研究了冷却液出口管距、液冷板厚度、通道内管路内管转弯半径R、冷却液质量流量对散热性能的影响。Guodong等研究人员皿成功地构建了一个液冷电池组，该组由四节电池和五块冷板组成，详细研究了冷却液的质量流量、冷板数量、通道分布以及冷却方向等参数对电池组热行为的影响。液体冷却技术在电池组散热效果上相对于空气冷却有显著优势。但是，这需要设计和配置复杂的液体管道系统，从而导致电池组结构变得繁琐。另外，冷却液泄漏可能对整个电池组的工作性能和安全性造成不良影响。因此，液体冷却技术的进一步发展仍面临一定挑战。124相变材料冷却利用相变材料在相变过程中会吸收或释放大量的潜热，从而对动力电池进行冷却或加热保温处理皿。采用相变体作为储能介质的储能装置，能够在不依赖外部功率消耗的情况下，长期维持在合适的温度区间。彭荣琦皿针对磷酸铁锂电池模块，提出了一种融合相变材料与翅片结构的先进被动热管理系统。在高温工况下，该热管理系统能显著降低电池模块的峰值温度，并优化温度分布的均匀性。Zhangg的研究表明，在石蜡基相变材料中引入膨胀石墨可显著增强其热导性能和动态粘度，进而降低相变过程中材料的流动特性。凌子夜等人皿在前期工作中，对具有多孔结构的膨胀石墨与有机相变材料进行了深入的研究，发现其具有比单一相变材料高20-60倍的导热系数。关于复合相变材料冷却技术，近年来，以其高导热、可循环利用等特点，以其优异的热稳定性、良好的可再生性，已成为未来动力电池散热技术的重要发展趋势。1.3本文主要研究内容本文以某方形铝壳磷酸铁锂电池包为研究对象，电池外壳采用铝塑外壳，承载机械载荷的能力强，对电芯起到保护，设计采用液冷散热系统，对液冷板的冷却管路进行设计。主要解决在电池处在低温、常温、高温下不同放电倍率下的散热问题，设计出一种基于多级特斯拉阀皿流道的液冷板设计，通过计算机辅助分析不同工况下对电池组的散热情况，主要研究内容如下：1）详细介绍锂离子电池的基本构造、工作原理、热生成机制以及热传递特性。确立锂离子电池单体的各项关键参数，并通过理论分析获取电池单体的热物理性质、产热速率及热传导特征，进而构建电池热生成模型；2）通过三维仿真分析锂离子电池单体充放电过程的热响应，获取不同倍率下的温度数据，据此针对性地设计液冷板式热管理系统；3）对两种传统液冷板结构的电池模组进行液冷仿真分析，从控温性、均温性方面对性能进行评价，确定理想的冷却液参数；4）在此基础上提出基于“特斯拉阀”型的液冷板结构，对基于特斯拉阀液冷板结构的流道间距、冷却液流向进行优化设计。并以电池模组在高温、低温环境下的放电温度变化情况作为对液冷板性能的评价指标。2锂离子电池产热分析本章详述锂电池结构、工作原理及热行为，介绍生热、传热机理，确定热物性参数，如热导率、比热容等。阐述计算流体动力学（CFD）理论在锂电池热管理研究中的应用及相关软件为后续热管理系统设计与优化提供理论支持。2.1 锂离子电池工作特性2.1.1 锂离子电池结构锂离子电池作为一种先进的二次锂电池技术，其负极材料主要为石墨和钛酸锂等。正极材料则涵盖了磷酸铁锂（LFP）、镒酸锂（LMO）以及锦钻银三元（NCM）等多种类型I。根据电池结构形状差异，锂离子电池制造工艺可分为卷绕式和叠片式，典型产品如18650圆柱形电池和方形铝壳电池，图2.1展示了三种常用商业电池：圆柱形电池、铝壳电池以及软包电池。锂离子电池内部电芯结构包含六个关键部分：正极集流体、正极活性材料、隔离膜、负极活性材料、负极集流体以及电解液I，具体结构如图2.2。图2.1常见三种电池种类（a）圆柱式、（b）铝壳式、（C）软包式图2.2电池内部叠片结构示意图锂离子电池基于锂离子在正负极活性材料间的嵌入/脱嵌反应，实现高能化学电源。正极采用含锂化合物如LiXCoO2、LiFeP04,负极选用石墨等碳素材料，电解液为含锂盐的有机溶剂口叽集流体的作用是将电池电能高效传递出来供应电能，正负极集流体分别采用铝箔和铜箔。这些材料组合赋予锂离子电池高能量密度、高功率密度和长循环寿命等优点。正极材料对电池容量关键，磷酸铁锂和三元银钻锦酸锂广泛应用。正极需承担锂离子脱/嵌反应及提供SEl膜形成所需锂离子，影响电池能量密度、循环寿命和安全性。负极材料主要采用石墨等插层化合物。石墨在锂离子嵌入和脱嵌后保持结构稳定，与电解液接触时形成紧密的SEl膜，确保负极材料与电解液无反应，且成本较低。隔膜的作用是将电池正负极隔离，防止直接接触导致短路，同时允许离子穿越。由于电池内部电解液为有机溶剂，隔膜需具备一定的耐受性。目前常用的隔膜材料为微孔聚烯烧膜。电解液在锂离子电池性能中起着关键作用，其主要任务是为离子传输提供通道，并与外部电子转移相结合，形成闭合电路以产生电流。通常由锂盐(如LiC104.LiPF6)和有机溶剂(如DME、EC)组成.。2.1.2 锂离子电池工作原理以磷酸铁锂电池为例，在充电时锂离子会从正极LiFCPO4中脱离，然后在电解质中流动，最后嵌入到石墨负极层之间，并在负极形成锂碳层级化合物，放电时则反应刚好相反，其主要反应如下图2.3：2.3电池充放电原理图磷酸铁锂电池放电时：负极：LixCft-xeCb+xLi+(2.1)正极：LiiFeP0卢xLi+Xe-LiFePO4(2.2)总反应：LixC6+LiJXFePOqC6+LiFePO4(2.3)磷酸铁锂电池充电时：阳极：LiFePoA-Xe-LilTFePoA+xL(2.4)阴极：。6+xLF+Xe-LixC6(2.5)总反应：C6+LiFePO4LixC6+LilFeP(2.6)2.2 锂离子电池生热机理电池在进行充放电时，其内部将进行复杂的电化学反应，从而引起化学热的产生，锂离子在材料间的嵌入、转移与脱出将产生阻力，从而产生欧姆热。当锂离子转移到正负极时，会导致溶液浓度差，进而引起极化内阻热。研究发现，锂离子电池的生热一般由反应热Qr、极化热Qp、欧姆热Qj和副反应热QS组成阂。那么电池产生的总热量0为：Qa+Qj+Q,(2.7)(1)反应热Qr电池内部化学反应热可逆，放电时放热，充电时吸热。可通过热化学公式计算反应热如下：式中，m为电池质量，kg；为电池数量；Q为电化学反应正负极产生的总热量，/为电流大小，A；为摩尔质量，g/mol；尸为法拉第常数，其值为96484.5CmoL(2)极化热QP电池组在与外部电路相连时，在其外部出现了真实电势与平衡电势之间的偏差，这就是所谓的“极化”。由欧姆极化，浓差极化及电化学极化所形成的极化内阻，造成了电池两端电压与开路电压的差异，从而导致了极化热的产生，其计算公式是：QP=fRp(2.9)(3)欧姆热Qj充放电时，锂离子穿过电极柱、电解液和隔膜，产生正值的焦耳热。可用热学公式计算如下：Qj=尸治(2.10)式中，/为充放电电流，A；RC为电池的欧姆内阻，(4)副反应热QS过充过放时，锂离子电池产生副反应热，包括自放电和电解液高温分解热，这部分热量占比小，可忽略。由此可以得出电池的总体热量Qt表示为：=+p÷7(2.11)2.3 锂离子电池的传热机理电池运行时所产生的热量是由两个方面组成的：热量没及时排出，从而导致了电池的升温；热量及时地转移到外部环境中。后者热量向外传递的过程中，具体表现为三种传热方式：热传导、热对流、热辐射26)。电池放电时，热量主要通过热传导和热对流散发，热辐射较少。本文仅考虑热传导和热对流。热量传递示意见图2.4：热对流SZ2.4电池与外界环境传热1 .热传导热传导是静止物体间通过微观粒子热运动传递热量的过程，如电池组内高温区向低温区传递。由傅立叶定律公式表示为：qn=-T)(2.12)式中，qn为热流密度，叱加2；a为导热系数，W11-1K-h57M为电池温度梯度，KlmO2 .热对流对流换热是流体与固体接触时的热量传递，分为自然对流(温度梯度导致)和强制对流(外部驱动力改变流体运动)c281o电池外部对流换热受流体流速和初始温度影响较大，不可忽略，对流换热采用牛顿公式表示：Q=hA(Tw-Th(2.13)式中，Q为热流量，八为对流换热系数，lV11-2K-1;4为面积,血2；Tw和TF为壁面和流体温度，Ko2.4 锂离子电池生热速率和热物性参数2.4.1 锂离子电池生热速率本研究采用Bemadi等人的生热模型计算电池各工况下生热速率，计算公式如下：Gg-U)+爷(2.14)式中，g是指生热速率，畋加3；/为电池放电电流，A；V为电池体积，m3；UoCP和U分别为开路电压和端电压，H7为温度，K,U°cpHT为温度系数。生热速率计算公式可以简化为例：UMP_U=IR(2.15)q=-12R+1T-(2.16)½,L8T显然，生热速率受单体电池体积、内阻、电流及温度系数等因素影响。电池生热速率呈动态变化，其数值可通过COMSOL软件锂电池模块的数值模拟方法计算获得。2.4.2 热物参数为确保仿真结果的可靠性，获取精确的热物性参数至关重要。这些参数涵盖了电池密度、导热系数和比热容等方面。表2.1列出了磷酸铁锂电池单体材料的相关物理参数。表2.1电池材料热物性参数材料比热/(J/kgK)密度/(kgm3)导热系数/(W/mK)隔膜1978.161008.890.344正极1269.212328.51.58负极1437.41347.331.04铝箔9002700238铜箔3858960400铝塑外壳16361376.94155正极极耳2702903.00238.00负极极耳8933385.00389.00电解液1290133.900.45(1)导热系数由于电池内部材质以及其堆叠的方式，导致了电池的导热系数表现出了各向异性，在电池的高度和宽度方向电池各层是并联的，而在电池的厚度方向各层串联，因此可利用热阻串并联原理对电池各方向的导热系数进行等效计算，本文锂离子电池的导热系数主要是根据清华大学Chen等人皿使用的公式计算，计算表达式为：4=Z辿L+MXb+4我=29.5W/(?K)iIYI«= O90W(mK)(2.18)2_33vyidybidyl乙444(2.19)4=Zidzk=adza+hdzb+cdzc=295W/(m,K)1L4式中，为、与、；IZ分别为电池单体乂KZ方向上的导热系数,单位是W(nK)；儿、儿、儿分别为锂电池的正极、负极以及隔膜的导热系数，单位是W(znK);lx.Iy.“分别为锂离子电池三个方向上的厚度，单位是“；dxa.dxb.dxc分别为正极、负极以及隔膜在X方向上的厚度，单位是m,其他方向上同理可得。(2)电池的密度锂离子电池密度是单体电池的质量与体积的比值，表达式如下所示：p=2055.2依/tn,(2.20)LAv式中，P为电芯密度，单.位是kgm3,Li为电池各层厚度，单位是m；m为单体电池质量，单位是Zg”为单体电池的体积，单位是初兀(3)电池的比热容与电池密度计算方法相同，锂离子电池比热容可通过对各材料比热容加权平均计算得出，计算表达式如下：Cp=LCM=I399.U(依K)(2.21)机；式中，CP为电池的等效比热容，单位是砥G为单体电池中各部分材料的比热容，阜位是J(kgK),Tni为电池的各部分材料的质量，单位是左。2.5 CFD理论基础2.5.1 CFD基本控制方程计算流体动力学（CFD）是流体力学的关键子领域，主要研究非线性的流体流动偏微分方程。借助计算机技术和数值方法，CFD能有效可视化流场、温度场等物理场流体流动遵循质量、动量和能量守恒定律，通过求解基本控制方程（如连续性方程、Navier-Stokes方程等），结合边界条件、初始条件和物性参数，可计算流场中的速度、压力、温度等物理量分布。CFD基本控制方程包括以下几种：（1）质量守恒方程在流体动力学领域，所有流动现象都必须满足质量守恒原则。质量守恒方程亦称为连续性方程，其主要描述在给定时间间隔内，流场中某一微元体（体积为dxdydz）内流体质量的变化量等于该时间段内流入和流出该微元体的质量差。具体的数学表述如下：2+*+*+*=022）txyz式中，P是微元所在流体密度，单位kg/m3；u、u、W是流体微元速度矢量在%、y、Z三个方向上的分量；f是时间，单位s。（2）动量守恒方程动量守恒是牛顿第二定律在流体动力学中的另一种表现形式，它是一种用来描述粘滞不可压液体动量守恒的运动学方程，它的数学形式又称纳维-斯托克斯公式，它可以用来表示每一单位时间，进入受控物体的动量除以作用在受控物体上的外力，即受控物体上的动量增加来表示。它的动量方程式是：(pu)+dv(puu)='中+dx23)xxzx(pv)-+dv(puv)=-型+÷+-(2.24)txz(pw)-+dv(puw)=巴一心(2.25)zx6十一一十z式中，P为微元体受到的压力，单位Pm孙、TZX等为微元体表面粘性应力T的分量，单位为；&、Fy.8为作用在X、/Z三个方向上的体积力，单位M（3）能量守恒方程从本质上讲，能量守恒定律就是热力学第一定律，具体来说，就是在每一段时间里，液体微元体加沙近的能量增加，相当于进入微元体的能量，外界对微元体所作的功，外界对微元体所传递的热的总和：(pT)(puT)(pvT)(pwT)111=txyzH/kGT、ATxATxC(226)一()+()+()+5&CPxycpyzcpz式中，T为热力学温度，单位K；为流体导热系数，单位WmK;CP为比定压热容，阜位J/kgKST为黏性耗散项，考察机械能经由黏性摩擦力转化成热能的程度。(4)湍流基本方程忆-£介于本文流道内液体流动特点，结合阅读文献选用湍流控制模型。目前工程中应用的湍流模型主要是k-£模型，标准k-£模型包括湍动能方程(即A方程)和耗散率方程(即£方程)t331标准模型的湍动能k和耗散率£方程为：27)28)29)30)8(Pk)pkui)次T+,-=-(+-)-+Gk-ptxixi,ox,() ui)t xi旦(÷-)竽÷CMGk-C2yxif.xikJ*J其中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍动能产生，计算公式为:3ujQu.l÷-)-Lxjxi.生表示湍流粘性系数，其与A和£的函数关系为:t=pc-c2.5.2锂离子电池电化学-热耦合模型机理依据J.Newman等研究者所提出的电化学模型，本研究在其基础上建立电化学-热耦合模型。该模型假定电池正负极内部粒子具有相同半径，并以锂离子在正负极的嵌入与脱出过程为研究对象。模型的构建基于物质质量守恒和电荷守恒原理。锂电池内部反应需遵循电荷守恒、能量守恒、质量守恒规律以及电化学反应动力学。关于该电化学模型的基本方程式如下：1 .电荷守恒液相方程：-f'%=-四+2RT(ITJejf1(2.31)xx)Fx)固相方程:d=?婆=CIFj(2.32)xx2其中L为电池中电流密度，Os和九分别是电池的固相电势和液相电势；/为电池内部锂离子扩散速率；靖"和琮"分别为电池有效固相电阻率和电池有效液相电阻率；碎为锂离子扩散常数，其值为0.363；户为法拉第常数，其值为96485AsmoL2.质量守恒固相方程：=1(D¾(2.33)液相方程：ZL=枭酸等)+(TM34)OtOXOX其中，CS和Ce分别表示为电池内部固相锂离子浓度和液相锂离子浓度；&、凝分别表示电池内部固相孔隙率和液相孔隙率；心、De分别为电池内部固相和液相扩散系数；RS为粒子半径；表示有效液相扩散系数。3.电极反应动力学(Bulter-Volmer方程)J=HeXP(誓)Yxp(一罂%)(2.35)KlKIi°=A(C产(CgX-GKQJp36)其中M表示粒子迁移过程中交换电流密度大小；海、ap表示交换电流反应速率系数；Cs,max表示锂离子脱嵌过程中最大可嵌入锂离子浓度。2.5.3CFD仿真软件本研究利用COMSOLMultiphysics软件对电池组热生成与散热进行仿真。通过耦合锂离子电池模块与固体传热模块，实现磷酸铁锂电池电化学-热耦合全域全周期模拟。基于电池单体结构，构建三维几何模型，进行网格划分、热源设置和边界条件设置。计算得到不同工况下电池包热流场分布，实现电池包整体温度分布模拟，详见图2.5。建立控制方程确定初始条件及边界条件 输出结果划分M阿格，生成女节点建立离散方程离散初始条件和边界条件给定求解控制参数求解离散方程图2.5计算流程图2.6本章小结本章深入剖析了锂离子电池的多种类型、内部构造及各组件的材料特性。论述了锂离子电池的优势与不足，并从微观动力学和化学反应方程角度阐释了其工作原理及能量转换过程。针对锂离子电池，探讨其热生成机制和热传导特性，为后续模拟验证提供理论基础。此外，本章还介绍了计算流体动力学（CFD）相关理论、基本控制方程，以及多物理场仿真软件COMSOLMUItiPhySiCS的独特性。3磷酸铁锂电池单体热仿真分析本章节对电池相关参数进行说明，并提出对电池热模型的构建，对单体电池进行相关设置，研究影响电池热特性的相关因素。3.1锂离子电池特征参数从锂离子电池的结构示意图可知，其内部结构颇为复杂，涉及多种组成材料。基于实体电池构建仿真模型将面临巨大挑战。因此，在不影响电池热分析准确性的前提下，将锂离子电池简化为具有均匀密度和均匀内部产热的方形实体。表3.1列出了电池的规格参数，而图3.1展示了电池单体的几何模型及相关尺寸。表3.1某商用方形铝壳锂离子电池参数表电池特征参数参数值额定容量Q/Ah138额定电压U/V3.25截止电压%/V2.0-3.8能量E/Wh432内阻Rnfi0.76重量m/kg2.62尺寸DmmT*L*H15*90*960能量密度3(WhL)335.44充电电流I/A138放电电流"A286循环寿命>3000次80%(IC)正极集流体厚度/M15负极集流体厚度/Rn8隔膜厚度"m14壳体材质铝塑外壳工作温度充电40。C45c5C,放电：45。C55。C鉴于电池表面温度分布无法充分揭示电池内部发热状况，对电池内部温度场的研究显得尤为重要。为此，需构建三维热效应模型，以便对锂离子电池内部及其周边的温度分布进行模拟和分析。然而，电池内部组成复杂，化学反应多样，实际三维热效应模型难以直接构建。建模前，需对模型进行理想化简化和假设网:L假设电池内部热源均匀分布；2 .假设电池材料物理属性均质；3 .假设热物性参数为常数；4 .假设导热系数各向异性。通过以上理想化简化和假设，能够更为便捷地构建锂离子电池的三维热效应模型，并对其内部及周边的温度分布进行模拟和分析。960.图3.1电池单体几何模型图3.2展示了锂离子电池电化学-热耦合模型框架。主要热源为电极的电化学反应热和电解液的欧姆热。采用一维电化学模型，分析了热源并揭示了电池内部热传导与分布。根据相似原理建立了三元体系的热力学模型，得到了正负电极的欧姆热量和各个单体的温度分布。此外一维电化学模型计算锂离子电池单体的正、负极电化学热时需采用电池正、负电极的平均温度。负第流板生热模型负极电 化学热三维温度场模型电“液正松电欧阳热化学热负极集充板图3.2电化学-热耦合模型的思路与耦合关系3.2 单体电池网格划分和仿真设置1 .网格划分在SOLIDWORKS中构建三维几何模型后，将其导入COMSOLMultiphysics软件中进行有限元网格划分。其中面网格采用三角形网格，体网格采用自由四面体网格，如图3.3所示，网格构建是基于“锂离子电池”和“固体传热”物理场完成构建，网格包括11737个域单元，6580个边界单元和1440个边单元，对于单体电池不同工况下热特性将基于该模型实现。图3.3电池单体三维网格划分2 .仿真设置（1）计算域与界面划分考虑到电池结构及各组件的热生成特性，计算域被划分为正极、负极和电芯三个子域。正负极热源以体积热源形式呈现，电芯热源则表示为总热源。此外，关键界面包括电芯与正负极之间的热传导接触面。（2）物性参数设置在全局定义中设定电池各项物性参数，并指定锂离子电池各域的材料属性。在固体传热模块中配置各向异性热导率。关于锂离子电池的主要物性参数，请参考表3.2o表3.2电池各项物理参数表容量/(i4)密度/(kg/m3)电压/V比热容/JKkgK)刈/W(mK)NllV(mK)%/W(mK)1382055.23.21399.129.50.929.5（3）初始条件与边界条件设置在COMSOL锂电池模块中不同环境温度、不同放电倍率下的生热速率通过基于化学反应热的内置偏微分方程计算得到，并作为电芯、正负极耳的热源，其中环境温度可以根据实际工况自由设置，如25。&3.3 电池单体热特性分析为深入探讨电池单体的热行为特性，我们主要开展了数值仿真分析，涉及不同放电倍率、不同对流换热系数以及不同环境温度条件下的场景。3.3.1 不同放电倍率下电池单体的温度分布在环境温度设定为25且对流换热系数为h=10的前提下，仅改变电池放