锂电池化成过程中的热效应分析及散热结构设计
锂电池化成过程中的热效应分析及散热
结构设计
摘要：随着科技的发展，对于锂离子电池性能提出了更高的要求。在电池生
产制造时，需要将其制作成模组、板块等形式进行组装和使用。为保证电池正常
工作，必须要确保各部分之间能够实现良好地传热与传质效果，否则会导致局部
过热现象出现，进而影响到电池组整体的安全性以及可靠性。因此，有必要针对
电池化成工艺展开深入研究，并采取有效措施来降低电池化成环节产生的热效应
问题。本文主要围绕锂电池化成过程中产生的热效应问题开展相关研究，以期通
过优化电池化成设备内部的散热结构来达到预期目标。
关键词：锂电池；化成过程；热效应；散热结构设计
前言：随着科技水平的不断提高，人们对于电子产品提出了更高的要求。在
这种情况下，各种各样的电子设备应运而生。这些电子设备通常由多个不同功能
的模块组成，每个模块都有自己特定的用途和性能指标。为保证各个模块能够正
常工作并且稳定运行，需要将它们组装成一个整体来进行测试[1]。
一、锂电池化成工艺简介
目前，锂离子电池主要有3种制造方法：卷绕法、涂布法和注液流延法。其中，卷绕法是最常用的一种生产方式。在这个过程中，需要将极片（活性物质）
缠绕到铝箔上形成一个圆柱形的电极，然后通过焊接或粘接等手段与电路板连接
起来，最后进行封装处理即可得到成品。由于锂电池内部存在大量的电化学反应，因此其工作时会产生大量的热能，如果不能及时散发出去就会导致电池温度升高
甚至发生爆炸。此外，当电池处于高温环境下运行时，还会造成电解质分解并生
成气体，从而使得整个电池组内压力增大，严重影响了电池的使用寿命以及安全
性能。为了保证电池能够正常稳定地运行，必须采取一定措施对这些热量进行有
效控制。本文以某款方形三元锂电池作为研究对象，该电池采用叠层式PCB技
术制作成模组后再组装成电池包。在电池包中，每个单体电池都被安装在独立的
密闭空间里，且各单体之间互不接触。这样可以最大限度地减少因电池生热所引
起的温度变化，同时也有利于提高电池系统的可靠性。
二、锂电池化成过程中的热效应分析
（一）锂离子电池的生热机理
在对锂电池进行充、放电时，会产生大量热量。这些热量主要是由于电池内
部发生化学反应所引起的。当电池处于不同状态下时，其产热量也不相同。因此，需要通过一定方式将这些热量及时散发出去。通常情况下，可以采用风冷或者水
冷等方法来实现这一目的。但是，这两种冷却方式各有优缺点：风冷具有成本低
廉和操作简单等优点；而水冷则具有安全性高以及能耗小等特点。本文以某款磷
酸铁锂电池为例，研究了该电池在不同条件下的发热量变化规律，并据此提出一
种新型的散热方案。
（二）锂离子电池的传热特性
在对锂电池进行充、放电时，由于其内部会产生大量热量，因此需要通过外
部装置将这些热量及时散发出去。通常情况下，可以采用风冷或者水冷等方式来
实现这一目的。当然，也有一些特殊场合是无法用水冷却的，比如说高温环境或
空间狭小等等。为了保证电池能够正常工作，必须要采取一定措施降低电池表面
和周围空气之间的温差，从而减少电池所吸收的热量，避免因过热造成安全事故
发生。一般来说，影响电池温度变化的因素主要包括以下几个方面：电池自身产热；电池与外界环境之间的换热量；电池本身的发热功率。其中，电池自身产热
又分为化学反应放热以及电能转换成热能两种形式。具体而言，就是指电池在运
行过程中所释放出的能量总和。这里以磷酸铁锂电池为例，该类型电池具有较高
的比容量，但同时也存在着较大的内阻，导致其极化现象较为严重，所以在实际
应用过程中经常出现过充、过放问题，进而引发一系列安全隐患。此外，随着使
用时间延长，电池还会逐渐老化，性能下降，最终报废。由此可见，如何有效控
制电池的温升速度成为当前研究热点之一[2]。
三、锂电池化成过程中的散热结构设计分析
（一）锂电池组耦合散热结构设计
为了保证电池在充放电时，其内部各部分能够均匀地进行热量传递和交换，
需要对整个电池模组进行合理的布局。本文将采用一种新型的电池组散热方式——“液冷”与风冷相结合的方法来解决上述问题。该方案是通过冷却液体带走电
池产生的大量热量，同时利用风扇强制空气流动带走电池表面的热量，从而达到
降低电池工作温度的目的。所示即为本次研究中所使用的电池组模型示意图。
由于锂离子电池具有较高的能量密度，因此当电池发生短路、过充电等故障时会
释放出巨大的热能，如果不能及时散发出去，就有可能造成严重后果。所以，必
须要采取一定措施来控制电池组内各个单元之间的温差不超过允许范围。此外，
还应考虑到不同类型电池的差异性以及实际工况下的复杂多变性，以便更好地满
足各种应用场景的需求。基于以上因素，本文提出了两种不同的电池组散热结构：传统单层板状散热器；双层板式散热器。其中，前者主要用于圆柱形电池或方形
电池，后者则适用于软包电池。
（二）锂电池组耦合散热结构仿真分析
在对该种散热方式进行研究时，需要先确定好散热器的具体尺寸。本文主要
是通过CFD软件来模拟电池组放电和充电时的情况，并且还要考虑到不同环境因
素下所产生的影响。为了能够更加直观地看出电池组内部的温度分布状况，将其
与传统风冷散热系统进行对比。、分别表示两种散热方式下电池表面最高温度随
时间变化曲线以及最大温差随放电倍率变化曲线。从图中可以明显发现，当采用
这种散热方式后，电池表面的最高温度会出现一定程度上的下降，而且最大温差
也得到了有效控制。但是由于受到电池组自身体积大小等方面的限制，导致散热
效果并不是非常理想。因此，必须进一步优化散热结构。为了使得电池组整体
的散热性能达到最佳状态，应当选择合适的翅片材料，同时还要保证翅片长度大
于等于20mm。此外，还要合理设置翅片间距，一般来说，翅片间距越小，则散热
效率就越高；反之，则散热效率较低。另外，还要注意翅片厚度不能过薄或者过大，否则都不利于提高散热能力，最终提升整个电池组的散热性能[3]。
四、结语
综上所述，目前，锂电池作为许多手持式和便携式电子设备的主要电源，也越来越多地被应用于电动汽车、混合动力电动汽车和储能系统中。但热失控问题始终是阻碍锂电池在不断发展的储能市场中广泛应用的主要原因之一，对锂电池化成过程中的热效应分析及散热结构设计进行分析，能够提高锂电池使用寿命，减少安全隐患的发生。
参考文献：
[1]张辉，李艳东，龙广，孙明，赵丽娜.一种电动汽车动力锂电池组状态监控系统设计[J].电源技术，2017（05）：711-713.
[2]刘彦红，王本力.对我国动力锂电池产业的冷思考[J].新材料产业，2015（09）：8-11.
[3]刘浩华.新能源汽车价值链模型构建――以纯电动汽车和插电式混合动力汽车为例[J].中国市场，2015（38）：10-13.
18650型锂离子动力电池热特性研究
18650型锂离子动力电池热特性研究 冯能莲;马瑞锦;陈龙科 【摘要】To research the thermal security of lithium-ion power battery used in electric vehicles, with 3.2 Ah lithium-ion power battery as the research object, a three-dimensional mathematical model was built to analyse the thermal characteristic of lithium-ion power battery in the state of different discharge rates and different ambient temperature by the simulation and experiment temperature on the thermal characteristics of lithium-ion power battery were investigated. The results illustrate that temperature rising curve of the lithium-ion battery is nonlinear, the temperature rise rate increases obviously at the end of discharge; the temperature rising and temperature rising rate increase with the increasing of the charge/discharge rate; their temperature variation trends are basically the same, so the mathematical model can accurately describe the thermal behavior of the lithium-ion battery. The simulation and experimental analysis of thermal characteristics of lithium-ion battery could provide abundant data basis for studying temperature rising of battery pack and design of thermal management system.%针对电动汽车用锂离子动力电池热特性,以3.2Ah锂离子动力电池为研究对象,建立了锂离子动力电池的热模型.分别对锂离子单体电池在不同放电倍率、不同环境温度下的热特性进行了仿真和实验.结果表明,锂离子电池温升呈现非线性特征,在放电末期温升速率明显增大;锂离子电池的温升和温升速率随着放电倍率的增大而增大;仿真温度和实验温度变化趋势基本一致,说明所建立的数学模型能够较准确地描述锂离子单体电池
锂电池化成过程中的热效应分析及散热结构设计
锂电池化成过程中的热效应分析及散热 结构设计 摘要：随着科技的发展，对于锂离子电池性能提出了更高的要求。在电池生 产制造时，需要将其制作成模组、板块等形式进行组装和使用。为保证电池正常 工作，必须要确保各部分之间能够实现良好地传热与传质效果，否则会导致局部 过热现象出现，进而影响到电池组整体的安全性以及可靠性。因此，有必要针对 电池化成工艺展开深入研究，并采取有效措施来降低电池化成环节产生的热效应 问题。本文主要围绕锂电池化成过程中产生的热效应问题开展相关研究，以期通 过优化电池化成设备内部的散热结构来达到预期目标。 关键词：锂电池；化成过程；热效应；散热结构设计 前言：随着科技水平的不断提高，人们对于电子产品提出了更高的要求。在 这种情况下，各种各样的电子设备应运而生。这些电子设备通常由多个不同功能 的模块组成，每个模块都有自己特定的用途和性能指标。为保证各个模块能够正 常工作并且稳定运行，需要将它们组装成一个整体来进行测试[1]。 一、锂电池化成工艺简介 目前，锂离子电池主要有3种制造方法：卷绕法、涂布法和注液流延法。其中，卷绕法是最常用的一种生产方式。在这个过程中，需要将极片（活性物质） 缠绕到铝箔上形成一个圆柱形的电极，然后通过焊接或粘接等手段与电路板连接 起来，最后进行封装处理即可得到成品。由于锂电池内部存在大量的电化学反应，因此其工作时会产生大量的热能，如果不能及时散发出去就会导致电池温度升高 甚至发生爆炸。此外，当电池处于高温环境下运行时，还会造成电解质分解并生 成气体，从而使得整个电池组内压力增大，严重影响了电池的使用寿命以及安全 性能。为了保证电池能够正常稳定地运行，必须采取一定措施对这些热量进行有 效控制。本文以某款方形三元锂电池作为研究对象，该电池采用叠层式PCB技
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锂离子电池热模型研究概述 作者：李生红熊震秦国锋糜沛纹劳晶晶 来源：《时代汽车》2021年第16期 摘要：锂离子电池的热安全性对于衡量电动汽车性能指标具有重要作用，建立电池的热效应模型能够有效设计电池热管理系统，改善电池散热效果，从而提高热安全性。本文对按照建模维数划分模型研究，包括集中质量模型、一维模型、二维模型、三维模型;对按照建模原理划分模型研究，包括电化学-热耦合模型、电-热耦合模型、热滥用模型，并对国内外关于热模型的研究发展进行展望。 关键词：锂离子电池热模型耦合模型热滥用 Overview of Research on Thermal Model of Lithium-Ion Battery Li Shenghong Xiong Zhen Qin Guofeng Mi Peiwen Lao Jingjing Abstract：The thermal safety of lithium-ion batteries plays an important role for vehicles performance， and the establishment of the heating effect of the battery model can effectively design the battery thermal management system， improve the battery cooling effect， and thus improve the thermal security. In this paper， according to the modeling of dimension classification of model studies， the paper classifies model studies into lumped mass models of one dimensional model， of two-dimensional model， and three-dimensional model; according to the modeling principle， the paper divides the models into electrochemical-thermal coupling models， electrothermal coupling models， thermal abuse models， and the research and development of thermal models at home and abroad are put forward. Key words：lithium-ion， battery thermal model， coupled model， thermal abuse 1 引言
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锂离子电池充放电过程中的热特性研究作者：张志超郑莉莉戴作强杜光超张洪生 来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2019年第04期
摘要：为了在某一恒定温度下准确研究电池充放电过程中的吸放热特性，本文以18650 LiCoO2电池为实验对象，采用等温量热仪和充放电柜对锂离子电池在充放电过程中的产热行为进行研究。研究结果表明，随着充/放电倍率的增大，电池放热速率明显升高，在20 ℃条件下，1 C倍率放电后期产热速率较0.3 C增加了530.5%;在同一倍率条件下，LiCoO2电池0 ℃与40 ℃相比，充电时间增加了10.2%，严重影响了LiCoO2电池的充电性能;在相同条件下，放电过程中电池产热量要远大于充电过程中电池产热量。本文为电动车用锂电池热安全研究提供了可靠的参考依据。 关键词：锂离子电池; 等温量热仪; 热特性; 放热速率; 放热量; 锂电池热安全 由于锂离子电池具有高比能量、高比功率和高充放电效率，所以对锂离子电池性能的研究引起了学者们的广泛关注[1-3]。由于动力锂电池在频繁充放电过程中内部将产生大量热量，如果产生的热量不能被及时散发掉，会导致电池组的工作温度过高，从而影响电池性能，甚至引发安全事故[4-5]。另外，锂离子电池在低温下存在脱嵌锂不平衡、循环倍率性能差、比容量低等问题[6-9]，因此，通过研究低温下锂电池的产热问题，对提高电池性能和安全性具有指导作用。目前，国内外关于锂电池产热方面的研究主要集中在分析外界环境温度、充放电倍率、老化程度等对电池温升的影响。罗英等人[10-13]研究了不同老化状态对锂离子电池产热的影响，表明电池温度随着循环次数和搁置时间的增加而增加;林春景等人[14-16]对不同温度下锂离子电池温升进行了实验研究，结果表明，随着外界环境温度的增加，电池温升越来越大;张亚徽等人[17-19]研究了充放电倍率对电池温升的影响。以上研究只是定性分析了各因素对锂电池温升的影响，而没有定量分析各因素的影响程度。因此，本文以18650LiCoO2电池为实验对
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不同放电倍率下锂离子电池热效应分析研究 刘萌;张超 【摘要】温度对于锂电池的性能、安全及使用寿命有着很大的影响.针对锂电池放电过程中的发热问题,利用SpaceClaim建立了额定容量为14.6 Ah的LiMn2O4正极/石墨阳极方形锂电池三维模型,采用Fluent软件中的MSMD Battery Model 模块对放电倍率为0.5C、2C、3C、5C下锂电池的温度场分布进行模拟研究,并与实验结果进行对比验证,研究结果表明:模拟结果与实验数据基本吻合,随着放电过程的进行,电池温度逐渐升高,温度最高处基本位于远离电极的底部区域,放电倍率越高电池的升温速率越快,随之温度也越高. 【期刊名称】《工业加热》 【年(卷),期】2018(047)004 【总页数】4页(P1-3,11) 【关键词】锂离子电池;放电倍率;热效应;数值模拟 【作者】刘萌;张超 【作者单位】陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南 714000;西安市水利规划勘察设计院,陕西西安 710054 【正文语种】中文 【中图分类】TQ151.8 随着传统化石燃料的枯竭，以及人们环保意识的提高，将锂电池应用在汽车领域已
成为发展趋势[1]。作为汽车的动力来源，锂电池的性能直接影响着汽车的使用及 安全，而电池在放电过程中的热失控问题成为其在汽车领域应用的重大问题[2-3]。根据近些年来的新闻报道中可以发现，由于电池的热失控效应而引发的车体起火并不少见。 目前针对于电池的充放电性能研究相对较少，而随着计算机仿真技术的发展，使用数值模拟分析锂电池在充放电过程中的热效应成为新的研究思路。CHEN SC等[4]通过数值模拟方法建立了电池的三维热分析模型，通过分析表明放电速率越快电池热效应越明显，其表面温度越高。盘朝奉等[5]采用CFD软件对于0.5C、1.0C、1.5C、2.0C倍率下锂电池温度分布进行模拟并与实验数据进行对比验证。欧阳唐 文等[6]利用CFD商用软件对锂/二氧化硫单体电池进行了热效应分析，研究了电 池热物理参数的变化、放电电流以及散热环境对电池温度分布的影响。本文在前人分析研究基础之上本文采用Fluent软件中的MSMD Battery Model模块对电池 在不同放电倍率下热效应及截止时间做进一步分析，为后期优化电池散热系统提供参考依据。 1 模型建立 1.1 数学模型 本文建立的电池模型使用如下的假设条件[7]： （1）电池作整体处理，忽略放电过程中的体积及密度的变化，忽略电池放电过程产生的气体； （2）忽略放电过程中产生的化学反应； 根据上述假设，建立锂电池三维非稳态传热数学模型[8]： 式中：ρ为材料的密度（包括正负极、电解液及隔膜），kg/m3；cp为比热容， J/（kg·K）；t为温度，K；τ为时间，s；λ为材料的导热系数，W/（m·K）；Q
锂离子电池焦耳热效应分布
锂离子电池焦耳热效应分布 锂离子电池是一种常用的可充电电池，具有较高的能量密度和较长的使用寿命，在现代电子设备和交通工具中得到了广泛应用。然而，锂离子电池在使用过程中会产生焦耳热，这可能会导致电池内部温度升高，甚至引发安全问题。因此，研究锂离子电池焦耳热的分布规律对于电池的设计和优化具有重要意义。 首先，我们需要了解焦耳热是如何产生的。焦耳热是电流通过电阻时产生的热量，其公式为Q = I^2 * R * t，其中Q为焦耳热，I为电流强度，R为电阻，t为通过时间。在锂离子电池中，焦耳热主要产生于正负极材料的电阻和电解液的电导过程。 锂离子电池的正极材料通常是由锂盐和过渡金属氧化物（如锂钴酸锂、锂镍酸锂等）复合而成的。正极材料的导电性较好，因此其电阻相对较小，产生的焦耳热较少。与正极相比，负极材料（通常是石墨）的导电性较差，电阻较大，因此在充放电过程中会产生较多的焦耳热。此外，电解液也是焦耳热产生的重要源头。电解液中溶解的锂盐在电流通过时会发生离子迁移，这涉及到离子与溶剂分子之间的相互作用，会产生一定的电阻和焦耳热。 在锂离子电池中，焦耳热的分布情况对电池的温度分布具有很大影响。一般来说，锂离子电池的热量主要产生于电池的内部，然后通过电池的外部散热方式来散发。由于电池内部的热量会导致电池温度升高，一旦温度过高，可能会导致电池内部材料的相变、电解液的分解，甚至引发电池短路、爆炸等严重问题。因此，锂离子电池的设计和制造需要考虑如何降低焦耳热的产
生和提高电池散热效果。 为了对锂离子电池的焦耳热效应进行分布分析，可以借助数值模拟和实验方法。数值模拟可以通过建立电池内部的热场模型、电阻模型和传热模型，以及考虑电池外部散热方式等因素，来预测焦耳热在电池内部的分布情况。实验方法则可以通过在实际电池中测量电流强度、电压、温度等参数，来验证数值模拟的结果，并进一步优化电池的设计和制造。 综上所述，锂离子电池的焦耳热效应分布是一个复杂而重要的问题。通过深入研究焦耳热的产生机制，运用数值模拟和实验方法，可以进一步改善电池的设计和制造，提高锂离子电池的能量效率和安全性。在未来，随着新型材料、新工艺和新技术的不断推出，锂离子电池的焦耳热问题将得到更好的解决，为电动汽车、移动设备等领域的发展提供更可靠的能源支持。
锂动力电池散热系统传热数学模型
锂动力电池在电动汽车、无人机等领域的应用日益广泛，然而其高能 量密度和高功率密度也带来了散热难题。散热系统的设计对电池的安 全性和性能至关重要。在散热系统的设计与优化中，传热数学模型是 一个重要的工具，可以帮助工程师更好地理解和优化散热系统的性能。 一、锂动力电池散热系统的重要性 1.1 锂动力电池散热系统的作用 锂动力电池在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地散 发掉这些热量，电池温度将会升高，导致电池老化加速甚至发生热失控，严重影响电池的安全性和使用寿命。散热系统的设计对于保证锂 动力电池的安全性、稳定性和性能至关重要。 1.2 锂动力电池散热系统的挑战 与传统的散热系统相比，锂动力电池的散热系统面临着更大的挑战。 锂电池的高能量密度和高功率密度导致了更高的散热需求；另由于电 池组件的封闭性和散热不均匀性，传统的散热方式难以满足电池的散 热需求。如何设计出高效的散热系统成为了当前锂动力电池研究领域 的热点问题。 二、锂动力电池散热系统传热数学模型的意义 2.1 传热数学模型在散热系统设计中的作用 传热数学模型是描述物体热传导、对流、辐射等传热过程的数学方程组，可以很好地描述散热系统内部的热传导规律，帮助工程师更好地
理解和优化散热系统的性能。通过建立传热数学模型，工程师可以预测散热系统的温度分布、热传导路径等重要参数，为散热系统的设计和优化提供理论依据。 2.2 传热数学模型在锂动力电池散热系统设计中的应用 在锂动力电池散热系统的设计中，传热数学模型可以用来分析电池组件的热传导规律、预测散热系统的工作温度、优化散热系统的结构参数等。通过建立适用于锂动力电池的传热数学模型，可以帮助工程师更好地设计和优化散热系统，提高散热效率，保证电池的安全性和稳定性。 三、锂动力电池散热系统传热数学模型的建立 3.1 锂动力电池散热系统的热传导规律 锂动力电池的散热系统通常由电池芯、散热片、导热垫、散热风扇等组件构成，其中热传导路径复杂，不同组件之间存在多种传热方式，包括热传导、对流散热和辐射散热等。建立锂动力电池散热系统的传热数学模型需要考虑这些复杂的传热规律，将各种传热方式进行合理的数学描述。 3.2 锂动力电池散热系统传热数学模型的建立方法 建立锂动力电池散热系统的传热数学模型通常可以采用有限元方法、传热方程组模型、CFD模拟等方法。其中，有限元方法适用于描述散热系统内部的热传导规律；传热方程组模型适用于描述散热系统内部
18650动力锂电池组热管理系统性能优化研究
18650动力锂电池组热管理系统性能优化研究 作者：徐隐凤，廖智伟 来源：《时代汽车》 2018年第11期 摘要：本文建立了电动汽车锂离子电池的三维热仿真模型，为使该空冷却散热系统散热性 能达到最优化，通过计算流体动力学与正交试验相结合的优化方法，对空气初始温度；对流换 热系数；空气流速三个因素进行优选，揭示了三个因素对峰值温度的影响。最后得到了锂离子 电池组在3C倍率放电时其最优方案组合为：312K的空气初始温度；3W/(m2/K)的对流换热系数；3In/s的空气流速。 关键词：正交试验；空气冷却；峰值温度 1单体锂电池热效应模型 1.1锂电池生热速率 锂电池在充放电过程中，电池生热的同时有各种化学反应发生，主要的放热反应有电解液 分解、负极的热分解及其与电解液的反应、正极的热分解及其与电解液的反应以及SEI膜分解 反应等化学反应及其副反应。此外，电池中有电流通过时，内阻会产生一部分焦耳热。根据Bernardi等[13]提出的电池生热速率模型，认为热量来源主要包含焦耳热和反应热，如公式1 所示，式中括号内第一项代表焦耳热，为不可逆过程生热，第二项为反应热，为可逆过程生热，根据充放电取不同符号。 式中Qt为单体电池的总生热速率，I为流经单体电池的电流；Er为电池的开路电压；U为 电池的工作电压；T为电池的开氏温度；Vb为单体电池体积；Rr为锂电池内阻。 1.2锂电池传热控制方程 单体18650锂离子电池的生热过程是一个典型的非稳态热传导过程，为了方便模型的建立，针对圆柱锂电池做以下假设： (1)电池内部电解液几乎不流动，忽略电解液的对流换热作用； (2)忽略电池内部辐射对温度的影响； (3)单体电池的热物性参数（不包括欧姆内阻）在实验中为定值 (4)电池内部各种材料各向同性，物理性质均一； (5)电池内部发热均匀。基于以上的条件假设，由直角坐标系下导热微分方程的一般形式得到模型的控制方程：下式3.1所示： 式中
锂离子动力电池热管理系统的关键技术
锂离子动力电池热管理系统的关键技术 摘要：随着产业规模的扩大，以及动力电池回收利用的规模化应用，未来动力 电池还有进一步下降的空间。锂离子动力电池是现阶段电动汽车的最优选择，也 是新能源汽车中应用最广泛的电池。因此文章就锂离子动力电池热管理系统的关 键技术方面进行略述，以期推动我国动力电池的进一步发展。 关键词：锂离子动力电池；热管理系统；加热方式；冷却方式 新能源汽车的发展，既可以有效应对能源危机和环境污染的挑战，实现汽车 产业的可持续发展，也可实现中国汽车产业的跨越式发展。随着电动汽车产业化 进程逐步深入，各国政府及企业均加大力度发展动力电池产业。锂离子电池具有 能量密度高、循环寿命长、一致性好、安全性好等优点。因此锂离子动力电池是 新能源汽车现阶段的最优选择，已成为新能源汽车目前最广泛应用的动力电池。 一、锂离子电池的产热本质 锂离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液、正负极柱和外壳等部分组成。锂离子在正极和负极之间循环往复的嵌入和脱嵌的过程，就是锂离子电池化学能 与电能相互转化的过程。 （一）锂离子电池充放电过程 锂离子电池充放电过程，如式（1）-式（6）所示（式中M代表 Co，Ni，Fe 等金属元素）。①充电过程 正极反应：Li MO2→ Li（1-x）MO2+x Li++xe （1） 负极反应：x Li++xe-+6C → LixC6（2） 总反应：Li MO2+6C → Li（1-x）MO2+LixC6 （3） ②放电过程 负极反应：LixC6→ x Li++xe-+6C （4） 正极反应：Li（1-x）MO2+x Li++xe-→ Li MO2（5） 总反应：Li（1-x）MO2+LixC6→ Li MO2+6C（6） 依照上述充放电过程所发生的反应，从电化学的角度分析，锂离子电池的产 热本质就是电池内部的化学和电化学反应以及其引起的热行为。研究发现，锂离 子电池内部的生热主要由8方面组成：负极与溶剂的反应，正极的分解反应，隔 膜的分解反应，负极与氟化粘结剂的反应，电解液的分解反应，锂金属的反应， 活性物质的焓变，欧姆电阻生热等。而通常在正常工作温度下，锂电池主要发生 电化学反应热、极化电阻生热、欧姆电阻生热，当温度继续升高后才会发生其他 反应。 （二）正常温度工作情况时锂离子电池生热量 锂离子电池在正常温度工作情况下，通常将在充放电过程中锂离子电池的生 热量简化为 4 个主要部分，包括反应热 Qr，焦耳热 Qj，极化热 Qp和副反应热 Qs。 ①反应热 Qr反应热 Qr指锂离子电池内部充放电时化学反应所产生的热。充电时为负值，放电时为正值。反应热可由式（7）计算： Qr=3600QI/F=0.0104IQ （7） 式中：Qr的单位为W；Q代表电池内部化学反应产生热量的代数和，单位为 k J/mol；I代表充放电电流，单位为A；F代表法拉第常数，其值为96484.5C/mol。 ②焦耳热 Qj焦耳热 Qj指锂离子电池在充电时，电流通过内阻时产生的热量，这 部分热量始终为正值。焦耳热可由式（8）计算：
锂离子电池产热散热研究
锂离子电池产热散热研究 仇晨光;姜胜;王甘霖;黄娜 【摘要】根据锂离子电池的结构和传热理论研究了锂电池内部的发热原理,阐释了锂离子电池的储能机制,分析了锂离子电池的四个内热源项.从而通过集中参数模型 和Kandler Smith的电化学模型对LiCoO2锂离子电池的产热进行计算,给出了不 同条件下换热条件对电池散热和温度的影响,并提出了设计建议. 【期刊名称】《水电与新能源》 【年(卷),期】2018(032)002 【总页数】4页(P37-40) 【关键词】锂离子电池;内热源;电化学;散热 【作者】仇晨光;姜胜;王甘霖;黄娜 【作者单位】国网湖北省电力公司技术培训中心,湖北武汉 430079;国网湖北省电 力公司技术培训中心,湖北武汉 430079;国网湖北省电力公司技术培训中心,湖北武汉 430079;国网湖北省电力公司技术培训中心,湖北武汉 430079 【正文语种】中文 【中图分类】TM911 作为现代高性能电池的代表，锂电池作为一种储能工具已经被越来越广泛地应用于各种电子产品甚至汽车上。理想状态下锂离子电池的工作温度为0℃-40℃，当温 度超过65℃，锂电池的性能就会迅速衰减。温度上升过快的原因主要分为这两类，
一是大电流冲放电过程中或者频繁的长时间连续充放电引起电池内部活性物质活性增强导致电化学反应热失控；二是在很多情况下需要将单体锂电池以不同的形式(串联并/和并联)组装在一起成为一个模块，模块的散热不畅可能导致热量的聚集 从而热失控。本文以LiCoO2电池为研究对象，通过建立锂离子电池的一维电化学模型研究电池的表面积和换热条件对电池温度的影响。 1 研究的意义 掌握电池内部的产热机理、传热方式以及外部散热特性的是研究防止热失控的基础，通过对锂离子电池及电池模块的热效应分析可以获取以上信息。研究的最终目的是让锂离子电池能够在高效、安全的温度区间工作，延长电池使用寿命同时避免电池的失灵。 电极本体的降解、电极表面被膜覆盖、结构的改变以及电解液的分解是电池寿命下降的主要因素。虽然电池电极退化的量化研究仍没有突破性的进展，但有一点明晰的是随着电池温度升高，储能反应以外的副反应速率也随之增大，直到发生不可逆转的化学变化，影响电池的效率和寿命。 2 热源分析 2.1 化学反应热 锂离子电池充放电过程的反应热其本质是正极产生的锂离子从负极材料嵌入/脱嵌 时吸收/释放的热量。该化学反应为可逆反应，因此该过程可能吸热也可能放热。2.2 极化热 电池反应过程中粒子的扩散和移动需要耗散能量，这就使得理论电动势与实际电池反应的情况不相符，即产生极化作用。锂离子的化学扩散系数很低，所以电极里的锂离子扩散和移动是一个占主导作用的因素。另外，在充放电循环过程中的电极表面堕化也会增加电极化作用。所以，控制产热率的关键就在于结构性的设计以降低极化。
锂电池散热设计
锂电池散热设计
锂电池散热设计 锂电池的散热设计是非常重要的，因为高温是导致锂电池寿命缩短和安全事故的主要原因之一。下面是一种按步骤思考的锂电池散热设计方法。 第一步：了解锂电池的散热需求 首先，我们需要了解锂电池的散热需求。不同类型的锂电池，在充电和放电过程中会产生不同程度的热量。因此，我们需要了解具体的电池型号和规格，以及其在不同使用条件下的最高温度要求。 第二步：确定散热途径 下一步，我们需要确定散热途径。常见的散热途径包括传导、对流和辐射。传导散热是通过将热量传递给散热器或其他散热装置，在与之接触的物体间传导热量。对流散热是通过将热量传递给周围流体，如空气或液体，使其带走热量。辐射散热是通过辐射热量到周围环境。 第三步：设计散热系统
接下来，我们需要设计一个有效的散热系统。首先，确定散热器的类型和数量。散热器可以是铝制的散热片、散热管或风扇。根据实际情况，可能需要使用多个散热器以增强散热效果。此外，还需要考虑散热器的位置和安装方式，以确保与电池的紧密接触和热量传导。 第四步：考虑其他辅助散热措施 在设计散热系统时，还应考虑其他辅助散热措施。例如，可以在电池的周围增加导热材料，以提高热传导效率。此外，可以设计风道或液道来引导空气或液体流动，以增强对流散热效果。 第五步：进行热模拟和测试 完成散热系统的设计后，需要进行热模拟和测试来验证设计的可行性和效果。通过使用热模拟软件，可以模拟锂电池在不同工况下的温度分布和变化，并评估散热系统的性能。此外，还可以通过实际测试来验证模拟结果，以进一步改进散热设计。 最后，根据模拟和测试结果，对散热系统进行进一步优化和改进，以确保锂电池在高温条件下的安全运行和延长寿命。总之，锂电池的散热设计需要综合
电动汽车动力锂电池散热结构设计与冷却系统仿真
电动汽车动力锂电池散热结构设计与冷却系统仿真 摘要：锂离子电池在诸多方面性能上都有优点，所以其在新能源汽车上得到了 广泛运用。但怎样把电池在使用过程当中产生大量的热量散发出去，是一个不能 回避的问题。假如电池温升过高，不仅会对电池使用性能和寿命产生一定影响， 还会引起一些安全方面的问题。 关键词：新能源汽车；锂电池；热管理；系统散热性能 引言：动力电池按它的应用分成能量型电池和功率型电池两大类。能量型的 电池主要以高能量密度为主要特点，主要用在高能量输出蓄电池。功率型的电池 指用高功率密度为主要特点，主要用在瞬间高功率输出和输入的蓄电池。实际上 这两种电池并没有严格区分开来。 一、动力电池的基本构成以及优势特征分析 动力锂电池是新能源汽车的一大动力源泉，在新能源汽车当中应用动力锂电 池可以有效降低成本，让新能源汽车发展前景更为广阔。动力锂电池基本构成主 要有铝塑复合膜、导电剂、粘结剂、极耳、电解液、隔膜和正极材料等等。在这 其中，正负极材料和电解液以及隔膜最重要，它们构成动力锂离子的一个核心部分。动力锂电池充电过程当中，电池的正极方向会有锂离子，锂离子在电解液当 中不断运动直到到达负极，而后锂离子会附着到负极碳层的微孔之中，从而达到 提高充电容量效果。在动力锂电池放电的过程当中，电池内部会进行和上述过程 相反的一个反应。和普通电池相比，锂离子的电池放电容量较高，所以，锂离子 电池能够在新能源汽车当中发挥较大优势。 动力锂离子电池主要缺点有：首先，内部的阻抗高。由于锂离子电池的电解 液是有机溶剂，它的电导率比镍镉电池和镍氢电池水溶液电解液要低很多，所以 它内部阻抗比镍镉以及镍氢电池大得多；其次，有特殊的保护电路，防止其过充；再次，成本较高；最后，和普通电池相容性较差。 现阶段，动力锂电池在新能源汽车当中已经取得了较为广泛应用，伴随时代 发展进步，新能源汽车和动力锂电池应用都会愈加广泛。在新能源汽车当中应用 锂离子电池有着非常多的明显优势特征。第一，动力锂离子电池能量的储存密度 和普通电池相比较更高，它储存能量是常见的铅酸电池7至8倍。第二，在生产 动力的锂电池过程当中对水资源消耗极少，几乎都不消耗水，对此，生产动力锂 电池相比其余普通电池，能够在一定程度上实现节水。第三，动力锂电池在使用 当中、生产当中、报废等各个环节中都不会有有害物或者元素产生，有着保护环 境的作用。另外，动力锂电池对于温度的要求不高，哪怕是在低温、高温等极端 温度条件下，也能够使用。最后，动力锂电池还有着重量轻、充放电能力高、自 放电率低、使用寿命长的显著优势。 二、动力锂电池在新能源汽车当中应用发展分析 目前，新能源汽车取得了非常大的发展，很多企业以及国家都非常关注新能 源汽车和相关的配套系统研究进展，国家甚至还提出了帮助新能源车应用和推广 的一些政策，把发展新能源汽车放在了重要地位。在政府的扶持以及科技不断推 动下，新能源汽车取得了非常快速的发展，动力锂电池也开始逐渐应用到新能源 汽车之中。 动力锂电池已经成为发展新能源汽车的一个关键组成。在目前，全世界都面 临着一个相同的问题，就是环保问题。人类发展造成了很大的环境压力，为更好 解决这一问题，世界各国发展战略也逐渐趋向环境保护以及能源安全。凭借着排
新能源汽车动力锂电池热管理系统散热性能的仿真分析 蒋权英
新能源汽车动力锂电池热管理系统散热性能的仿真分析蒋 权英 摘要：随着经济社会的快速发展，能源危机与污染问题日趋严重，中国政府开 始积极推动新能源汽车的发展，纯电动汽车备受瞩目。电池是为电动汽车提供动 力的关键部分，因此影响着整车的性能，电池工作性能受温度的影响比较大，常 常通过电池热管理系统加以控制。电池冷却方式主要有液体冷却、空气冷却、相 变冷却等，本文研究了采用气体冷却方式时电池组温度变化特性，并探讨了在电 池组中加入翅片冷却电池组的效果。 关键词：片电池；锂离子电池；空气冷却；热管理系统；翅片；开缝翅片； 仿真分析 1前言 随着中国经济和汽车工业的快速发展，中国汽车数量增加迅猛，根据国家统 计局公布的《2014年国民经济和社会发展统计公报》，2014年末全国民用汽车 数量达到了15447万辆，比上年增长12.4%，且从2010年以来中国汽车产量呈不断增长态势。传统内燃机汽车尾气污染环境，而新能源汽车特别是公交车能够改 善城市污染和噪音问题，有效实现节能减排。当得到广泛应用后，可以在电网负 荷的低谷时期进行充电，缓解电网压力，因此政府积极倡导人人使用。电动汽车 逐渐进入了高速发展的阶段，新能源汽车逐渐发挥优势，纯电动汽车、燃料电池、混合动力汽车等的推广及应用初具规模。新能源汽车动力电池是电动汽车的关键 部分，由于实际运行中电池充放电、过放电、大电流放电以及短路时，产生的热 量导致电池温度过高，破坏电池性能，缩短电池寿命。电池成组使用时也会由于 各单体电池性能不一致而降低电池组性能。为了使锂电池组最大程度发挥作用， 延长电池使用寿命，必须进行合理的电池热管理。电池热管理的主要目的是将电 池工作温度控制在目标范围内，一般采用空气、液体、相变材料、热管等介质来 控制电池温度。 2电池组热管理方式探究 2.1电池组热管理的作用 动力车用锂电动汽车的运行工况较为复杂，工作过程中，锂离子电池会产生 大量的热，导致电池温度过高，影响工作性能及寿命，而热量的累积易造成热失 控等安全事故。过高或过低的温度都会影响电池的寿命和安全，电池工作温度高 于45℃时电池功率衰减较为严重。研究锂电池工作过程中的温度场，进行热管理，控制最高最低温度及温度均匀性可以提高电池的稳定性、安全性和有效使用周期 延长电池寿命。锂电池出现热失控的主要原因有四点：电池过充、过放、电池长 期工作在高温环境，影响隔膜收缩、电池受到冲击挤压等破坏性操作，导致pack 或模组内部发生短路。以上均存在引起热失控的潜在风险电池过充，擅自改装电 池结构，环境温度高于60℃，电池隔膜破裂导致的短路问题。热失控时容易出现 类似所示的燃烧问题，更严重的是存在爆炸的危险。 关于电动汽车电池的最佳工作温度范围并没有严格的标准，研究显示，磷酸 铁锂电池的最佳工作温度范围为18~45℃，合适的电池温差应不高于10℃，更为 严格的控制标准是工作温度25~40℃，温差小于5℃。一般设计热管理系统时， 希望将电池的温度控制在25~45℃，最高安全温度55℃。将电池温度控制在 20~45℃之间，除能有效提高电池的使用寿命与可靠性之外，还能避免电池低温 充电析锂造成的短路以及高温热失控，提高电池使用安全性。
优化电池散热设计方案
优化电池散热设 计方案
优化电池散热设计方案 电池散热是电池设计中非常重要的一个方面，它能够有效地降低电池温度，提高电池的安全性能和使用寿命。以下是一种优化电池散热设计方案的逐步思路。 首先，要确定电池的散热需求。不同类型的电池在工作过程中会产生不同程度的热量，因此需要根据电池的特性来确定散热的需求。例如，锂电池在充放电过程中产生的热量较多，因此需要更好的散热方案。 其次，需要选择合适的散热材料。散热材料的选择直接影响到散热效果。常见的散热材料有铝、铜等金属材料，它们具有良好的导热性能和耐高温性能。此外，还可以选择散热胶或散热脂等材料来提高散热效果。 接下来，要设计合理的散热结构。散热结构的设计需要考虑到电池的特性和散热材料的特点。例如，可以设计散热片或散热鳍片来增加散热面积，提高散热效果。同时，还需要合理安排散热结构的位置和布局，以便达到最佳的散热效果。
然后，要考虑散热系统的风扇设计。风扇可以有效地增加空气流动，加速热量的传导和散发。因此，在设计散热系统时，需要选择合适的风扇，并合理安排风扇的位置和数量，以保证足够的风量和压力。 最后，需要进行散热系统的测试和优化。在设计完成后，需要进行一系列的测试来验证散热系统的性能。可以通过测量电池温度、散热材料表面温度等参数，评估散热系统的效果。如果发现散热效果不理想，可以通过调整散热结构、增加风扇数量等方式进行优化。 综上所述，优化电池散热设计需要依次考虑散热需求、选择散热材料、设计散热结构、风扇设计以及测试和优化等步骤。通过科学合理的设计和优化，可以有效地提高电池的散热效果，提升电池的安全性能和使用寿命。
电动汽车锂离子动力电池组温度场仿真及散热结构优化
电动汽车锂离子动力电池组温度场仿真及散热结构优化赵韩;方雄灿 【摘要】文章描述了锂离子电池的生热机理,建立了锂离子电池组风冷散热结构的三维仿真模型,应用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法分析了电池组温度场分布,得出电池组最高温度和温差都对放电电流比较敏感;提出了电池组散热通道改进方案并进行了仿真分析,结果表明改进方案使电池组散热效果明显提高;探讨了入风口风速对电池组散热情况的影响,结果表明提高入风口风速可以有效提高电池组散热效果,但是当风速超过一定范围(10 m/s)时,风速继续提高对电池组散热效果的改善逐渐下降.%A detailed description of lithium-ion battery heat generating mechanism is given.A three-di-mensional simulation model of air cooling structure of lithium-ion battery pack is established,and a temperature field distribution simulation of the battery pack is conducted using computational fluid dy-namics(CFD)methods.The research results show that the highest temperature and temperature difference of battery pack are very sensitive to the discharge current.An optimization scheme for the heat dissipation structure of lithium-ion battery pack is proposed and a simulation is performed.The results show that the cooling effect is significantly improved.The influence of the air speed on the thermal conditions of the battery pack is studied.It is indicated that increasing the air speed can im-prove the cooling effect of the battery pack,but when the wind speed exceeds a certain range (10 m/s),the improvement of the battery pack cooling effect gradually decreases with the increase of the wind speed.
汽车动力锂电池组翅片式散热性能仿真分析
汽车动力锂电池组翅片式散热性能仿真分析 王世学;张宁;高明 【摘要】Based on the computational fluid dynamics(CFD),finned battery thermal management systems with dif-ferent structural dimensions were developed utilizing the commercial softwareANSYS Fluent to simulate and analyze their cooling performance.Firstly,comparison of temperature changes between the experimental and simulation re-sults was discussed for single battery discharge at different discharge rates and the reliability of simulation results was verified.Secondly,the maximum temperature and maximum temperature difference of battery pack were taken as monitor parameters in thermal control.Simulation of temperature behavior of the battery pack with different-sized fins shows that the addition of fins can significantly reduce the maximum temperature and improve temperature uniformity.Slotted fin improves the overall performance of thermal management system of battery pack because it could disturb air flow field and reduce the mass of the thermal management system.%以计算流体动力学(CFD)为基础，应用商业软件ANSYS Fluent进行仿真分析，研究具有不同结构尺寸的翅片式电池热管理系统的冷却性能。首先，通过实验与模拟对比单体电池在不同放电倍率下放电时的温度变化，验证了仿真分析的可靠性。其次，以模块的最高温度和最大温差作为温度控制的监控参数，模拟分析了不同结构尺寸翅片对电池组热性能的影响，发现加入翅片可以显著降低电池组的最高温度，改善温度场的均匀性，而翅片开缝可以扰动空气流场，同时减轻热管理系统质量，提高电池组热管理系统的综合性能。