三无复合材料
磷酸铁锂
（LiFcPO^）
Li（Nio,BJ
Coo.1Ab,
0S）O2
Li（Ni仍
Coj.^M
111/3）Qi
正常电压（V）
4.0
4.05
3.8
3,85
3.34
存储电容（mAh/g）
（45
100
J60
120
150
比能產（Wh/kg）
602
480
742
588
549
体积比能量（WMJ
3073
2065
3784
2912
1976
错环寿命（坎）
>500
>500
>1000
>1000
>1000
质-量咸本＜S/kg）
30-40
8-10
28-30
22^25
16^20
能矍本钱C$/kWh）
57^75
20^25
50-55
30-55
25-35
平安性
较差
良好
良妤
优秀
优秀
正极材料
钻酸锂
铁酸锂
三元复合材料
磷酸铁锂
无过充
本钱低、比容
优点
平安性好
限制
量高
无过放
振实密度高、
工艺成熟
耐过充
电限制
穂定性好
高温稳
循环性、平安
离温稳定
定
性好
本钱高、安
充敖电容量衰
充放电
传导率低、合
缺点
全隐患高
减强
结构不
成困难
穩定
只适合小容
循环寿命低
工艺条
高倍率充放电
量单体电池
件苛刻
性能差
姑酸锂离子电池在15（TC高温时易爆炸，平安性差，原料本钱超过40万元/吨，且循环寿命短冋；钱酸锂离子电池平安性有所提高，但髙溫下的循环寿命只有500次左右。
而磷酸铁锂正极的锂离子脱出/嵌入后，磷酸铁锂的晶体结构几乎不发生重排，因此，猎酸铁锂离子电池的循环性能更好，可反复充放电达1000次以上，通过材料改性，寿命甚至可到达1万次以上，在高温高热环境下的稳定性也较高冋，畏目前正极材料的最正确选择。
电解液填充电池内部，分布在隔膜两侧。
电解液对离子有髙导电性，在电池内部的止、负极之间承当着传输电荷的作用；由于程离子电池的工作电压一般为3.2V,而水在1.2V左右的电压下即会发生电解，故一般采用非水有机溶剂和分解电压更高的电解质盐溶剂等作为锂离子的载体呗.
隔膜的主要作用是将锂离子电池的正炭极材料隔开，其具有选择通过性：
电子不能通过电池的内电路，但锂离子可自由通过。
隔膜在电池中会表现为一定的电阻性质。
负极材料主要有石墨及其相关材料。
集流体是正负极的导电骨架。
此外，锂离子电池在前几次充电过程中，有机电解液会在负极外表上发生氧
化复原反响，在电极外表形成一层固体电解质钝化膜，这层膜对电子绝缘，却是锂离子的导体，这层膜就是SEI（SurfaceElectrolyteInterface）膜。
SEI廡会增加电池内阻，但由于它不溶于有机溶剂性状致密，阻挡了有机溶剂的分子又不彩响锂离子的传递，一定程度上也防止了有机溶剂分子嵌入对电极材料带来的破坏。
假设SEI膜被破坏，修复它那么需要消耗锂离子，故电池使用一段时间以后,SEI膜会变厚，电池内阻增加。
璘酸铁锂离子电池根本构造如图2.1所示：
图2.1磷酸铁锂离子电池根本构造
锂离子电池内部的各种材料一般通过层叠或卷绕的方式排列。
卷绕式是将正极片、隔膜、负极片依次排好，采取一定的工艺步骤，卷成圆柱形。
层叠式那么是将正极片、隔膜、负极片等材料按顺序堆叠成块状电池，然后将各层正极片引出焊接为正极柱，负极片引出焊接为负极柱。
图2.2所示为两种方式的示意图。
图2.2卷绕式与层叠式锂离子电池示意图
锂离子电池工作原理
磷酸铁锂离子电池内部发生的化学反响如下:
充电反响LiFeP04-xLi^-xe~-►xFePO^+（l-x）LiFeP04公式2.1
放电反响FeP04+xLi++xe'txLiFePO^+（1-x）LiFePO^公式2・2
这是一种理想的可逆反响。
从电化学角度，它本质就是一个锂离子浓度差电池。
充电时，锂离子从正极化合物中脱出，经过电解质嵌入负极晶格，此时，负圾处于富锂态，正极处于贫锂态，补偿电荷通过电子在外电路传到负极，维持负极的电荷平衡；放电时那么相反，锂离子从负极脱出，经过电解质嵌入正极材料，此时，正极处于富锂态，负极处于贫锂态冏。
由于电池的正负极都是层间化合物,在正常充放电时，锂离子负极碳材料的层状机构和正极氯化物的层状结构间嵌入和脱出，只带来层间距的变化，不破坏晶体结构，因此锂离子电池反响的可逆性较好，被称为'‘摇椅式〞的电池体系蹄。
图2.3展现了锂离子电池的工作原理。
2.2锂离子电池的生热机理分析
锂离子电池的生热机理
由于内部化学反响变得非常复杂，在正常使用状态下，锂离子电池总的生热量一般由以下四局部构成：
反响热、焦耳热、极化热以及副反响热的。
记总生热量为Q,那么其可表示为
公式2.3
其中；
Qr是反响热：
是指在电池充放电过程中，锂离子在正负极板间嵌入和脱嵌这一电化学反响过程里产生的热量，与反响过程中的炳变有关，充电状态时，该值为兔值〔即吸收热量〕，放电状态时，该值为正值〔即卷放热量〕。
反响热的计算表达式为：
其中n表示电池单体个数；m表示正负电极质量；Q表示电池正极电化学反
应产生热量和负极电化学反响产生的热量的代数和；I表示充放电电流大小，单位为A；M代表摩尔质量，单位为g/mol；F表示法拉第常数,其值为96484.5C/mol<,
Qj是焦耳热，由于组戌电池的材料存在一定电阻，电流流经时便会产生热量,这局部热量是不可逆的，在充放电过程当中均为正值，计算表达式为：
Qj=Nr.公式2.5
其中I为电流强度，单位为A；出为电池的内阻，单位为Q。
Qp是极化热：
当有电流通过时，在锂离子电池的电极外表发生实际电位偏离平衡电位的现象，称为极化现象。
由于电池的平均端电压与开路电压的差异，这局部压降而产生的热量即极化热。
它与电池种类、电流大小、环境温度等有关。
在充放电的状态下其值均为正值。
一般情况下，会虚拟一个电池极化内阻儿，用其产生的焦尔热来等效代替。
Q.是副反响热，是伴随电池内主电化学反响的一些副反响，如电极一局部的分解反响，高溫下电解液分解反响等。
该局部热量产热量很小，一般不予考虑。
因此，电池生热滋可以表示为：
2.2.2锂离子电池生热速率确实定
美国加州大学伯克利分校的Bernadi从锂动力电池内阻和萌增反响原理两个方面出发，基于电池内部热源稳定且均匀生热的条件，将极化热与反响热均处理成不可逆的反响热，提出计算锂离子动力电池生热速率的Bernadi生热速率模型間，其估算公式为：
式中g为电池生热速率，％为电池单体体积，7为充放电电流，〃为电池单体电压，仏为电池开路电压，丁学为电池的温度影响系数，是与电化学反响相关
CLT
的物理量。
2.3锂离子电池的传热特性分析
2.3.1电池内部传热分析
由传热学根本原理知，热董的传递有三种根本方式，即：
热传导、热对流以及热辐射。
在锂鬲子电池内部，由于电解液的流动微弱，内部发生的流动换热可以忽略不计，同时内部辐射换热的形响微弱，故热量传递的主要方式是热传导。
根据导热根本定律-傅里叶定律知，在导热过程中，单位时间内通过单位面积的导热量，正比于垂直该截面方向上的温度变化率，即：
公式2.8
其中，q“是沿n方向传递的热流密度，入为导热系数，它的大小反映了该物质的导热能力，$是电极等温面法线方向温度梯度，负号表示热量传递方向与温度升高的方向相反。
当物体温度是三维函数时，空间热流密度矢量，记为q,进而热量传导的速度公式可表示为：
公式2.9
其中，VT代表温度的梯度。
它是在实验观察的根底上于1822年提出的，它将温度场与热量流动联系起来，并适用于各种不同的温度场，也适用于稳态、非稳态、一维或者多维的情况画。
2.3.2电池外部传热分析
由电池内部经热传导到达电池壳体的热量，与外界进行热量交换时，方式主要是对流换热。
对流换热发生在有宏观运动的流体中，常见的情况是冷却流体流过一个发热固体外表时，有温度差的流体和固体之间发生的热量传递过程。
对于空气或液体冷却的锂离子电池，即是流动的冷却空气或冷却液体通过与电池外表的直接接触，将电池产生的热量带走的过程。
当流体与固体之间存在温度差异时,对流换热就会发生。
描述对流换热的根本公式为：
公式2.10
q=h〔Tw-Tf〕
当换热面积为S时，有:
公式2.11
该式被称作牛顿冷却公式，是对流换热的定义式。
其中q（w/兀）或者Q（w）为对流换热量，h为外表传热系数，又称为换热系数，单位是W/（m2・K）。
流体运动有自然对流和强迫对流两种形式。
自然对流是指当流体温度升髙时，即使没有外部作用，流体也会在自身力（如密度差）作用下产生相对运动。
强迫对流是指通过外部作用提高流体的压差来强迫流体流动。
当流体流经固体表面时，在固体外表附近，越接近固体外表流体的流动速度越低，当与固体接触的距离非常小时，流体处于停滞状态，可以看成流体与固体之间只有热传导存在。
因此，不考虑辐射时，把锂离子电池外表由热传导传递的能量作为对流换热传递的能量，由牛顿冷却公式和傅里叶定律：
-XdT
h=
VTdy
其中，h为换热系数，子为流固接触面垂直接触面方向的流体温度变化率。
影响对流换热的因素包括流动影响因素和热量传递影响因素，主要包含以下五个方面：
（1）流体流动的起因。
自然对流换热通常是由流体内部的密度差引发的，强制换热通常是风机、水泵、油泵等外部动力源引发的。
由于二者流动成因的区别，导致流体速度场的分布差异，因此有不同的换热规律。
（2）流体有无相变。
流体没有相变时的，流体的对流换热由流体的显热变化而实现，当流体在换热过程中存在相变（如沸腾或凝结）时，流体相变热的吸收或释放将会给传热过程带来很大影响。
（3）流体的流动状态。
流体力学的研究说明，粘性流体存在两种不同的流动状态一一层流与湍流。
层流状态时，流体微团沿流依主要流动方向作规那么的分层流动；湍流状态时，流体内部各局部之间发生剧烈的混合，因此，同等条件下，湍流状态伴随着更强的换热强度。
（4）换热外表的几何因素。
包括换热外表的形状、大小、外表粗糙度。
在自然对流状态下，还包含几何布置状态。
（5）流体的物理性质。
如流体的密度、动力粘度、导热系数和比热容等等。
锂离子电池热物性参数确实定
锂离子电池的中心区域就是它的发热区域，各种电化学戾应等都在这里进行，同时这里的材料分布也最复杂，包含了正极材料、负极材料、隔膜材料、电解液等，各局部各材料的导热系数不同且厚度很小，由上百层叠加而成，直接建模非常困难，故考虑将电池中心区域视为一个整体，为到达等效的模拟，需要计算此局部的一系列等效参数，包括等效比热容、等效导热系数、等效密度等何。
锂电池的等效物性参数分别采取以下方式确定：
（1）比热容确实定
锂离子电池的等效比热容可由个局部材料比热容的加权平均值计算得到：
€p=为：
5公式2.13
式中：
。
为电池的比热容，nh为电池单体各种材料的质量；Cp』为组成电池的各种材料的比热容。
（2）密度确实定：
公式2.14
式中：
P为电池单体的密度；Ff为组成电池单体各种材料的质量；Cp为电池的比热容；c和为组成电池的各种材料的比热容。
（3）导热系数确实定
文献证明了可以将锂离子电池简化为沿三个正交方向具有不同导热系数的各向异性匀质材料何。
台湾清华大学S.C.Chen等人提出了一种类似于计算电路等效电阻的方法，根据传热学中热阻串并联原理，计算各方向上的等效导热系数。
故电池中心区域的等效导热系数与各材料的旱度以及连接方式有关冋。
在电池三维几何模型中，记电池正负极垂直于Y轴，电池生热童沿假设Y轴方向以串联形式传邊•同时沿X轴和Z轴方向•视作按并联形式在正负极板间传递热量。
其中，久“人才心为单体电池中心区域材料沿x.y,z方向上的导热系数；心、九为电池单体内的正极极片、负极极片、隔膜的导热系数；LZ电池单体的厚度；Lyp、Lyn.乙〞是电池单体内正极极片、负极极片、隔膜的厚度.
由于锂离子电池本身性能受温度条件影响很大，并且在电动汽车中，受限于有限的车辆动力舱空间，锂离子电池都是成组密集排布在汽车电池箱内，车辆运行过程中，电池组内部所产生的焦耳热、极化热、反响热和副反响热等热量更容易积聚，造成电池组工作环境温度过高，同时引发各电池单体温度分布不均，降低了电池的一致性，从而降低电池充放电循环效率，甚至导致电池组热失控，影响系统的平安性与可靠性。
根据文献总结，最适宜砂酸铁锂离子电池的工作区间是293K至318K,温差不超过5K为最正确，5K-10K可以接受。
当多个电池组成一个电池组模块后，虽然单体电池内核生热速率没有变化，但电池外表的边界条件有所改变，只有边缘区域的电池具有与外界进行良好热量交换的条件，中间区域的电池由于密集排列，热量聚集，温度较边缘处高。
同时,各电池间的空气热传导作用不可忽略。
因此，电池组温度场并不是单体电池温度场的简单叠加。
接下来，本文将采用AnsysFluent软件，对电池组在自然对流状态下的传热温度场进行数值仿真，为接下来电池组冷却方案的设计提供依据。
受到现有模拟计算水平的限制，现阶段假设想实现完全复原的真实几何模型的模拟存在较大的难度，主要原因在于：
首先，实际中的电池单体往往存在大量的几何细节，如电池外表的浅凹槽，以及极柱纹孔等，这些细节处往往需要较高精度的网格去复原，会导致模型总体网格数量过多，廷长了迭代计算时间；其次，复杂几何模型的网格划分质量难以保证。
当网格划分过于粗糙产生扭曲时，会导致计算失真。
因此，建模过程对几何模型进行一定的简化处理是非常必要的。
原那么長既能准确反映模型主要特征，也能适当降低模型复杂度，保持网格模型计算的高效性和准确性。
本文中的计算对象标称容量lOOAh,标称电压为3.2V,三维尺寸为：
445mm•192mm•72mm,极柱高20mm,直径36mm,其余参数如表2.2所示:
表2・2计算对象初始参数表
工程
单位
数值
正极材料名称
/
磷酸铁锂
正极材料厚度
mm
0.169
正极材料导热系数
W/m・K
0.85（20*0
正极材料比热容
J/kg-K
1017（20*0
正极材料密度
kg/m3
2287.6
正极材料质量
g
1017.6
负极材料名称
f
/
石墨粉
负极材料厚度
mm
0.123
负极材料导热系数
W/m・K
2.449（20*0
负极材料比热容
J/kg・K
734（20#C）
负极材料密度
kg/m3
2125.5
负极材料质量
g
711.1
隔膜材料名称
/
PP多孔膜
隔膜材料厚度
mm
0.040
隔膜材料导热系数
W/m-K
0.1413（20*0
隔旗材料比热容
J/kg*K
1080（209）
隔膜材料密度
kg/m5
512.5
隔膜材料质董
g
123.82
电解液材料名称
/
六氟磷酸锂的有机溶液
电解液材料厚度
mm
/
电解液材料导热系数
W/m-K
0.13（20*0
电解液材料比热容
J/kg・K
1950（20*0
电解液材料密度
kg/m3
1270
电解液材料质童
g
620
电池外売材料名称
/
铝
电池外壳厚度
mm
1
假设组成电池的同种材料的比热容相同，且同一方向上各处的导热系数相
同，电池内部各种材料的导热系数及比热容不随温度及荷电状态变化•为恒定值,且组成电池的各种材料均为均匀介质，同种材料的密度相同。
根据公式2.13、
2.14.2.15.2.16,得到该锂离子动力电池的等效热物性参数如表2.3所示：
表2.3锂离子动力电池的等效热物性参数
序号
工程
单位
参数
1
单体折算平均密度
kg/m3
2021
2
单体折算平均比热容
J/kg・K
1282
X方向
2.732
单体折算平均导
3
Y方向
W/m・K
0.913
热系数
Z方向
2.732
电池组自然对流传热模型的建立
电池组由12块该电池单体排列组成，单体间隙5mm。
由于电池组整体模型几何结构比拟整齐，故主要采用结构化网格来建立电池组的网格模型，网格总数126388,如图2.4所示：
图2.4电池组单体排列示意图
电池组传热模型可以描述为：
在自然对流条件下，各电池中心区域生热，热
量一局部通过热传导经由电池外売传到周围空气中，一局部带来自身升温。
对电池绘设定以下边界条件：
（1）壁面初始温度为环境温度，设定为T=303K
（2）壁面无滑移条件：
u=v=w=O
（3）壁面法向压力梯度为0：
字=0
（4）电池外売与周围空气的自然对流换热系数取5W/m2-K
考虑车辆实际运行中状态的复杂性，为了方便接下来的仿真，根据公式
2.3-2.7计算得到该锂离子动力电池典型放电倍率下的生热率，如表2.4所示：
表2.4电池单体生热速率
序号
放电倍率
电池单体电流
电池单体生热率
1
1/3C
33.3A
155.3W
2
2/3C
66.7A
1347.9W
3
1C
100A
5688.0W
不同放电倍率下的电池组自然对流传热温度场分析
首先，本文将对自然对流条件下，电池组以不同放电倍率（1/3C、2/3C、1C）恒流放电到达热平衡状态时的温度场进行初步分析，了解电池组的温度分布特点，为接下来的电池组冷却方案设计提供思路。
当环境温度为303K时，电池组恒流放电到达热平衡状态时的温度场及温度
状况如图2.5（a）>（b）、（c）以及表2.5所示:
（c）1C
图2.5环境温度303K时，电池组恒流放电到达热平衡状态时的温度场
表2.5自然对流方式下电池组外表温度状况（T=303K单位：
K）
放电倍率
最低温度
最高温度
最大温差
1/3C
303.2
306.6
3.4
2/3C
311.7
326.6
14.9
1C
342.2
404.0
61.8
以上可以看出，
在同样的初始环境温度303K下,
电池组以不同倍率恒流放
电至热平衡状态时，
温度分布各不相同。
倍率越大.
温升越大。
1/3C倍率放电
状态下，电池组最高温度306.6K,最低温度303.2K,温差3.4K；2/3C倍率放电
状杰下，电池组升温最低温度至311.7K.最离温度326.6K,温差到达14.9K,
中间部位与边缘处电池的温度不均匀性已经很大；1C倍率放电结束时，中间部
位电池大量热量聚集，最高温度已经高达404K,最低温度也到达了342.2K,这已经是十分危险的情况，极有可能发生电池热失控而发生爆炸。
成组电池在中高放电倍率下，不但电池个体温度飙升，而且由于位置不同带来的温度不均匀性也非常显著。
（a）各电池中心温度
图2.6（a）是12个电池单体内部中心处的温度散点图，从左至右依次编号为1-12号。
可以看出，由于排列方式对自然散热条件的影响，各个电池内部温度趋劳与表层趙势相似，也呈现中间温度高，两侧温度低的趋势。
在中低倍率放电条件下，中心点温差在10K以内，但当放电倍率到达1C时，各个电池单体中心点温度骤升，且中间位置高于最外侧位置电池温差也到达约30K,电池组整体均匀性非常不理想。
（b）中问位置电池沿x方向温度
图2.6自然对流条件下不同放电倍率电池组内部温度分布
图2.6（b）是电池组中间位置处6号电池的内部沿电池长度方向上假设干监测点的温度曲线，在各倍率放电状态下各点温度根本保持一致，说明此时各电池内部的均匀性较好。
2.4.3不同环境温度下的电池组自然对流传热温度场分析
不同的环境温度也会影响自然对流冷却的效果，从而对电池组整体温度造成影响。
下面将以2/3C的放电倍率为例，对当环境温度为293K.303K和313K时的电池组温度场进行计算和比照分析。
图2.7（a）和图2.7（b）是环境温度分别为293K和313K时的电池组温度云图:
图2.7自然对流条件下不同环境温度的电池组温度场云图
结合图2・7与表2・6综合分析可得，电池组内最大温差随环境温度的升高而
増大。
表2.6自然对流条件下的电池组外表温度状况（2/3C单位：
K）
环境温度
最低温度
最高温度
最大温差
293K
304.3
31&2
13.9
303K
311.7
326.6
14.9
313K
31&2
335.0
1&8
图2.8（a）.（b）分别代表了这三种环境温度条件下•各电池单体中心位置的温度状况及中间位置电池温度曲线：
（a）各电池中心温度
图2.8自然对流条件下不同环境温度电池组内部温度分布
以上结果分析比照農明，在自然对流条件下，随齐放电倍率的提髙，电池组整体温度水平升高，且受排列形式的彩响，电池组整体呈现中间温度高，两侧温度递减的趋势，各个电池间的温度均匀性较差，但各电池内部的均匀性较好。
此外，电池组外表最高温度、最低温度、最大温差均随环境温度的升高而增大。
总之，中高倍率下自然对流已经无法满足电池组理想工作条件，需要采取强制冷却措施。
2.5本章小结
本章首先介绍了锂离子电池的根本结构，比照了不同类型锂离子电池的性能特点，并介绍了磷酸铁锂离子电池的工作原理，分析了其生热机理。
接着从传热学原理角度出发，对锂离子电池进行了传热分析，包括其内部的传热方式和它与外部换热方式。
接下来针对锂离子电池这种分层的复杂多材料体，采取等效替代的方式，计算了其热物性参数的等效值，包括等效比热容、等效密度、等效导热系数等，最后建立了电池组自然对流条件下的传热模型，并导入Fluent软件进行传热效果的仿真计算，比照了对自然对流条件下，电池组在不同环境温度以及不同倍率放电至热平衡状态时电池组温度分布特点。
结果说明：
1.电池组放电倍率越大，温升越大。
中高倍率下自然对流已经无法满足电池组理想工作条件，需要采
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