本科生毕业设计：锂电池的热分析
电池热分析及测试方法超全总结
电池热分析及测试⽅法超全总结⼀、电池产热的影响：1.放电/充电过程，特别是⼤倍率充放时会产⽣⼤量热量；2.内部热量聚集，会引起内部温度升⾼；3.影响电池材料热稳定性，并发⽣性能衰退；4.影响电动汽车的经济性和适⽤性，由此引发的安全性和地寿命等存在制约；5.低温下启动内部极化⼤，瞬时发热量会造成电池的不可逆损失。
概念英⽂（单位）概念解释吸热反应Endothermal reaction反应物总能量⼩于⽣成物总能量的反应。
放热反应Exothermic reaction反应物总能量⼤于⽣成物总能量的反应。
热管理Temperaturemanagement对锂离⼦电池的热量或温度的管理。
热稳定性Thermal stability表征锂离⼦电池承受变化热量或温度变化的能⼒。
热失控Thermal runaway蓄电池在恒压充电时电流和电池温度发⽣⼀种积累性的增强作⽤并逐步损坏。
热辐射Thermal radiation物体由于具有温度⽽辐射电磁波的现象。
热量Heat（J）锂离⼦电池⼯作时与外界系统之间依靠温差传递的能量。
温度Temperature（K）表征物体冷热程度的物理量。
温升Temperature rise（K）锂离⼦电池⼯作时⾼出外界系统的温度。
反应热Reaction heat（J）锂离⼦在正负极产⽣的电化学反应产⽣的热量。
焦⽿热Joule heat（J）锂电池⼯作时，电荷在电池内部转移时，克服电池内部欧姆电阻⽽产⽣的热量。
极化热Polarization heat（J）锂电池在充放电过程中，因电流作⽤在正负极上发⽣极化现象⽽产⽣的热量。
分解热Decompositionheat（J）电池在⾃放电过程中或者副反应过程中产⽣的热量。
⽐热容Specific heatcapacity（J/( kg·K )）单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热量。
导热系数Thermalconductivity（W/(m·K)）在稳定传热条件下，对于两侧表⾯温差为1K的单位厚度的材料在单位时间内通过单位⾯积所能传递的热量。
锂离子电池研究本科毕业论文
摘要随着电力行业的高速发展，锂离子电池的研究已成为当代的热点研究课题。
研究锂离子电池，最主要的是对正极材料的研究，因为锂离子电池由于受到技术制约而使其性能得不到充分发挥。
锂离子电池在实际应用中有着循环使用寿命较长、首次充放电比容量高、对环境无污染等优点，已经成为21世纪绿色电源的首选。
目前常用的正极材料主要是LiCoO2，由于LiCoO2合成简单，充放电电压平稳，已经广泛用于各个领域，但是LiCoO2中钴材料价格较贵，毒性较大对环境污染严重，实际容量只有理论容量的二分之一，导致它的使用受到严重限制。
这就迫使研究者寻找新型的正极材料来代替LiCoO2。
LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正极材料价格低，热稳定性高，循环稳定性能良好，是目前高容量电极材料发展的主要方向。
本文将采用共沉淀法和溶胶-凝胶法制备锂离子电池正极材料LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，然后利用XRD、SEM、充放电及循环性能测试对其进行结构、形貌研究并测试其电化学性能。
共沉淀法制备材料能有效节省材料的制备时间，选择合适的沉淀体系，加入一定量表面活性剂，严格控制反应体系PH在11，配锂量要大于一般的固相反应。
当配锂量在1.1时，前驱体经过500 ℃预处理，然后在850 ℃下焙烧20 h可得到粒径均匀，分散性好的细小颗粒；溶胶-凝胶法制备材料时，通过控制合适的络合剂、易分解的金属离子盐以及反应过程中的温度、时间、PH等条件，找到溶胶-凝胶法制备材料的最佳工艺条件。
实验表明，采用适当的反应过程和适宜的PH(6-6.3)值可以得到颗粒细小、均匀且分散性良好的粉状材料，使用这种粉体材料经过500 ℃预处理，然后在850 ℃下焙烧20 h 可以得到粒径在100～300 nm，均匀分布的粉末颗粒。
首次充放电实验表明，这种材料具有良好的循环稳定性能和较高的容量。
关键字：锂离子电池；正极材料；共沉淀；溶胶-凝胶法；LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2AbstractWith the high-speed development of the power industry, the research of lithium ion battery has become a hot research topic in the contemporary. Research on lithium ion batteries, the most important is the study of the anode materials, because of the lithium ion batteries due to technical constraints and make not give full play to its performance. In actual application of lithium ion battery has a first charge and discharge cycle a lo ng service life, the advantages of high specific capacity, on the environment pollution-free, has become a 21st century green power of choice. The positive materials of the commonly used at present is mainly LiCoO2, as a result of LiCoO2 synthesis is simple, stable charge and discharge voltage, has been widely used in every field, but in the LiCoO2 cobalt material price is more expensive, bigger toxicity to environment pollution is serious, the actual capacity is only half of the theory of capacity, led to its use is limited by serious. This forces the researchers looking for new to replace the LiCoO2 cathode material. LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 cathode material price is low, high thermal stability, stable cycle performance is good, is currently the main development direction of high capacity electrode materials.This thesis will use the coprecipitation method and sol-gel method of lithium ion battery cathode material LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2, then using XRD, SEM, charge-discharge and cycle performance test research on the structure, morphology and test their electrochemical performance.Coprecipitation preparation material can effectively save the preparation time, select the appropriate system of precipitation, surface active agent was added into, strict control of reaction system PH in 11, with lithium content than ordinary solid phase reaction. Precursor when the amount of lithium in 1.1 after 500 ℃preprocessing, and then roasting 20 h under 850 ℃can get uniform particle size, good dispersion tiny particles; Sol-gel method materials, by controlling the appropriate complexing agent and metal ion salt and easy decomposition reaction conditions, such as temperature, time and PH on the find material optimum process conditions of sol-gel method. Experiments show that the proper reaction process and the suitable PH value (6-6.3) can be particles small, uniform and good dispersancy powder materials, the use of this powder materials after 500 ℃preprocessing, and then roasting 20 h under 850 ℃can get grain size in 100 ~ 300 nm, uniform distribution of powder particles. The first charge and discharge experiments show that the material has good cycle stability performance and higher capacity.Key Words:Lithium-ion battery, Cathode material,Coprecipitation,Sol-Gel method, LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论............................................................................................................................- 1 -1.1 研究背景.........................................................................................................- 1 -1.2 锂离子电池概述.............................................................................................- 1 -1.2.1 锂离子电池的发展历程......................................................................- 1 -1.2.2 锂离子的应用及前景..........................................................................- 2 -1.2.3 锂离子电池的结构和工作原理..........................................................- 2 -1.2.4 锂离子电池的特点..............................................................................- 4 -1.3 锂离子电池正极材料.....................................................................................- 4 -1.3.1 氧化镍锂(LiNiO2)正极材料 ...............................................................- 5 -1.3.2 氧化钴锂(LiCoO2)正极材料...............................................................- 5 -1.3.3 氧化锰锂(LiMnO2)正极材料..............................................................- 6 -1.3.4 橄榄石结构(LiMPO4)正极材料..........................................................- 7 -1.3.5 尖晶石锰酸锂(LiMn2O4)正极材料.....................................................- 7 -2 实验条件与测试方法................................................................................................- 8 -2.1 化学试剂及主要设备.....................................................................................- 8 -2.1.1 化学试剂..............................................................................................- 8 -2.1.2 主要设备..............................................................................................- 9 -2.2 电极的制备和电池的组装.............................................................................- 9 -2.2.1 电极的制备..........................................................................................- 9 -2.2.2 电池的组装........................................................................................- 10 -2.3 主要测试方法................................................................... 错误！未定义书签。
锂离子电池热效应模型分析
κ eff ∇φe = −0.029x + c
电压
η=
RT
⋅ j−Li
i0F (αa + αc ) as
η=
RT
⋅ j+Li
i0 F (α a + αc ) as
代入边界条件及参数得：
表 4 放电过程中变量计算表 Tab4. Result of the variable in the battery during the discharging
∂t
∂x 2
j
Li +
=
−I AL
= − 0 .029
∂ce =1.5×10−6 ∂2ce −1.9×10−7
∂t
∂x2
电荷守恒 （固）
0 .58 × ∇ φ s = 0 .023 x + c
0.05 × ∇ φ s = −0.029 x + c
电荷守恒 （液）
κ eff ∇φe = 0.023x + c
(0.000348 − 0.029x)2
κ eff
其中：
κ eff
= 15.8ce ⋅ e0.85(1000 ce )1.4
κ eff D
=
2RTκ eff F
(t+0
− 1)(1 +
d ln d ln
f± ce
)
由此，通过计算得到了一维电化学模型各部分产热量的一个解析解。
3 采用化学模型计算电池温度
表 3 计算中间过程表 Tab3. Part of the equations in the computation
0~δ-
δ-~δsep
L-δ+~L
纯电动汽车锂离子电池的热分析及散热结构设计
4.在现有电池包的基础上,进行电池包液冷散热结构的设计,并 与未采用液冷散热结构的电池包,在环境温度(25℃)下、以1C放 电倍率持续稳定放电的温升情况进行对比,温升降低了3℃左右, 结果表明:液冷散热结构具有较好的散热效果。本文主要探究了 三元锂离子电池在不同工况下的发热特性,根据分析结果采取相 关的热管理措施并验证其有效性,研究结果对解决电动汽车电池 的安全及寿命等问题具有重要意义,亦将为今后三元锂离子电池 包液冷散热结构的设计提供理论指导。
纯电动汽车锂离子电的热分析及散 热结构设计
新能源汽车的迅速发展对解决“环境”与“资源”这两大难题 有着十分重要的意义,作为纯电动汽车的核心部件-电池,承担着 越来越重要的角色,但电池的发热问题对电池本身的安全性能和 使用寿命影响较大。因此需要对电池的发热行为进行分析并采 取相关的散热措施。
本文的研究工作主要从以下几个方面开展:1.对锂离子电池的结 构、发热行为及发热原理进行理论分析,阐述电池热失控的一般 过程及产生热失控原因,通过试验探究温度对电池性能的影响。 首先对不同温度下电池的充、放电深度进行探究,其次对不同温 度下电池的内阻进行测量,采用密集的环境温度区间,并拟合多 项式,用于热仿真内热源代码的编写,并通过理论计算求得电池 的热物性参数,为后文电池温度场的发热仿真提供数据基础。
2.根据传热学及计算流体力学相关理论知识,建立电池小模组及 电池包的发热、传热数学模型及有限元分析模型,对电池小模组 在不同放电倍率下的发热情况进行仿真分析,并进行试验验证。 在仿真分析与试验研究一致的前提下,根据分析结果进行小模组 液冷散热结构的设计,通过试验验证散热结构的有效性,并对采 用不同冷却介质、不同冷却液温度下的散热效果进一步探究。
3.探究不同车速下电池包内部的发热情况。首先,纯电动汽车以 不同车速在城市工况下匀速行驶,获取瞬时电流数据,通过加权 计算得到加权平均电流,并将其作为温度场仿真的输入条件,其 次将仿真监测与实车采集的温度数据进行对比,验证了模型的准 确性,确定了不同车速下电池包的发热情况并得到结论:纯电动 汽车在不同车速行驶下,电池包内部的发热与车速有关,车速越 高,热量积聚越快,温升越高。
锂离子电池热失控机理分析与安全设计研究
锂离子电池热失控机理分析与安全设计研究随着现代科学技术的发展，锂离子电池已成为我们日常生活中必不可少的电源。
然而，锂离子电池的热失控现象一直是其使用中存在的风险，甚至会引起严重的安全事故。
因此，对于锂离子电池的热失控机理进行深入研究并实现安全设计，已成为当前业界面临的重要课题。
一、锂离子电池热失控机理分析锂离子电池热失控现象一般指电池内部温度升高过快，导致电解质液体挥发、聚结、气泡等反应，引起电池内压力增加，甚至热化等失控现象。
常见的热失控现象有短路、过充、过放、振动等诱发的热失控现象。
1. 短路短路是导致锂离子电池热失控现象的主要原因之一。
常见的短路情况有电极粘连、电极活化、内部碳化等现象。
当电池内部一旦出现短路，电池内部的电流和热量会突然增大，导致电池内部温度升高过快，释放出大量热量，形成所谓的“热失控”。
2. 过充过充是锂离子电池热失控的另一重要原因。
当电池内部存在过充量，电池内部会形成过电位，加剧电解质液体分解，导致电极内部产生一系列危险物质，进而导致电池内部温度升高、压力变化，形成“热失控”。
3. 过放过放是引发锂离子电池热失控的危险因素之一。
过度放电会导致电池内部电量降低，形成负电压，导致倒极物质转移到正电极，产生大量热力反应，导致电解质液体分解、气泡形成，加速电池内部失控，甚至导致电池爆炸。
4. 振动等诱因除了以上三个因素外，锂离子电池在平常使用时还会遇到很多外部振动、摩擦、压力等情况，这些突发状况也会导致锂离子电池的热失控。
二、安全设计研究针对锂离子电池热失控现象的危害，科研人员已经开始从电池材料、电路等多个方面进行了安全设计研究，以实现锂离子电池的长期安全稳定使用。
1. 电池材料的改良研究当前，锂离子电池的主要构成物质包括锂离子、电极材料、电解质液体等。
在锂离子电池的安全设计中，科研人员通过改良电池材料的结构和性能等方面进行突破，以提高电池自身的安全性和稳定性。
例如，通过改进电极材料的结构和表面处理等措施，提高电极材料的导电性和耐用性，减少短路等问题的产生；同时，在电解质液体的选择和处理上，也有了大量的尝试和实验研究。
锂离子电池和电池组的产热功率分析和仿真
锂离子电池和电池组的产热功率分析和仿真温度对于锂离子电池而言非常重要，低温会导致锂离子电池的电性能降低（容量、倍率性能），但是能够提高锂离子电池的存储寿命，高温能够提升电性能（容量、倍率性能），但是会降低电极／电解液界面的稳定性，引起循环寿命的快速衰降。
对于一个由众多电池组成的电池组而言，电池组内部的温度不均匀分布会导致单体电池的性能产生很大的差异，从而导致单体电池之间不均匀的衰降，最终导致电池组的失效，例如北京大学的Quan Xia等人采用A123的LFP电池进行电池组的模拟和仿真试验发现，通过改变电池组的结构，将电池组内的最大温差从4.62K降低到2.5K能够将电池组累计充电600Ah后的可靠性从0.0635提高到0.9328（详见链接：《电池组“可靠性”的影响因素和模型计算》）。
锂离子电池的使用工况对于离子电池的产热具有很大的影响，例如高倍率充放电会在电池内短时间累积更多的热量，而小倍率下则几乎能够实现热平衡，减少电池的温升。
江苏大学的徐晓明（第一作者，通讯作者）等人对55Ah单体电池和电池组的产热功率和温度分布情况进行了研究分析，研究表明单体电池的发热功率会随着环境温度的升高、电池SoC和充放电倍率的降低而降低，对电池组的热分析发现温度最高的区域集中在电池组中央区域，并且发现采用空气散热时气流更容易从电池组的上方流过，因此导致冷却效果不佳。
试验中作者采用了55Ah的方形锂离子电池，电池共有5个测温点，其中两个位于电池的低部、三个位于锂离子电池的侧面，如下图a所示。
电池的产热可以通过温升和电池的比热容来计算（如下式所示），其中Q为电池产热量，C为电池的比热容，m为电池的质量， T为电池的温升，如果进一步将p下式除以时间t，我们能够得到电池的产热功率。
为了保证环境温度的一致，作者采用恒温箱进行精确控温，电池的充放电设备采用了Digatron BTS-600设备，采用安捷伦的34970A设备采集电池的温度信息。
动力锂离子电池温度场热分析
动力锂离子电池温度场热分析李小爽【摘要】为了更好地掌握锂离子电池放电时电池内部温度场的分布,对电池放电时产生的热量进行管理,建立了锂离子电池放电时的数学物理模型.利用热分析软件Ansys,以ICR65/400型锂离子电池为例,建立了电池的二维热模型,对电池放电时的温度场进行了仿真分析.模拟了电池内部不同热生成率及电池与外界环境不同换热方式时,电池内部温度场及最高温度的分布,并分析了电池内部热生成率及辐射换热对电池内部温度场分布的影响.结果显示,电池内部最高温度及温度场的分布与电池热生成率、电池换热方式有很大关系.在自然对流换热方式时,辐射换热散发的热量占全部热量的5.6％～17.9％.而在强制对流换热时,辐射换热散发的热量几乎可以忽略不计.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2014(038)004【总页数】4页(P636-639)【关键词】锂离子电池;温度场;换热方式;辐射换热控制【作者】李小爽【作者单位】西安理工大学高等技术学院,陕西西安710082【正文语种】中文【中图分类】TM912.9锂离子电池凭借其自身的优点，已经被广泛应用于电动汽车，混合动力汽车等各种设备。
然而，近年来，由于锂离子电池在使用时的过度发热，商业上已经发生了多起锂离子电池召回事件。
而且，随着锂离子电池应用的广泛，越来越多的学者也开始对锂离子电池进行研究。
Karthikeyan Kumaresan等人研究了在不同的放电温度时锂离子电池的放电表现[1]；C.Y.Wang等人研究了锂离子电池的电化学与热行为之间的关系[2]；S.C.Chen等人通过三维仿真模型研究了锂离子电池的热行为[3]；Gi-Heon Kim等人研究了锂离子电池尺寸的大小与电池“热失控”之间的关系[4]。
锂离子电池放电时，其内部生成热主要由三部分组成：极化热（不可逆热）、化学反应热（可逆热）、焦耳热，且热量在电池内部迅速生成，使得电池内部温度快速升高。
锂离子电池放电过程瞬态生热特性分析
作者：一气贯长空锂离子电池放电过程瞬态生热特性分析摘要：为探索纯电动汽车用锂离子电池在放电过程中的瞬态热特性，通过试验测试得到不同温度下的内阻和不同放电倍率下的温升曲线，计算出不同放电倍率下的瞬时生热率；根据 0.5C 放电倍率下的瞬时生热率和内阻生热率，求出熵热（可逆反应热）系数变化曲线，分析锂离子电池熵热特性对瞬态生热特性的影响。
分析结果表明：锂离子电池的瞬态热特性主要受电池内阻热和熵热（可逆反应热）的瞬态特性影响；熵热是影响电池放电过程中温度波动的主要因素，在放电中期会出现由相变反应引起的吸热现象；在小倍率放电过程中，熵热对电池温度场的影响大于内阻热，而在大倍率中则相反。
通过分析，可以为电池瞬态生热模型的建立与完善提供依据。
锂离子电池由于具有高电压、低自放电率、高比能量、好循环性能和无污染等优点，使其近年来在纯电动汽车上的应用越来越多。
电池在放电过程中的产热和散热对电池本身的性能和使用寿命有着重要的影响，目前国内外已有很多关于锂离子电池的产热特性方面的研究[1-2]，它们大多采用 1985 年美国加州大学伯克利分校的 Bernardi 等[3 针对电池系统提出的一种通用的产热基本理论。
Kim 等[4-5]将电池的产热分为两部分，分别是由于电荷转移引起的反应热以及由欧姆内阻引起的欧姆热。
其中反应热包含由电势差引起的不可逆热和可逆熵热，通过该思路建立生热率模型，模拟出不同放电倍率下的温度分布，并进行了试验验证；2011 年 Bandhauer 等[6]将放电过程中的生热率分为存储在电池中的热量和电池表面与外界换热散失的热量，估算出电池的生热率。
近几年，有不少学者针对熵热系数（dU/dT）进行了研究。
2013 年，任保福等[7]测量了锂离子电池的内阻和熵变，认为熵变仅与荷电状态有关，与环境温度无关，充电过程表现为吸热反应，放电过程表现为放热反应；2015 年，吴彬等[8]通过试验，测得锂离子电池不同荷电状态下的熵热系数，并对比分析了熵热系数的变化趋势；2016 年，云凤玲等[9]通过对高镍锂离子动力电池循环试验，测得前后熵热系数的变化，分析了循环前后电池表面温度分布。
动力锂电池pack设计中的热流体仿真分析
动力锂电池pack设计中的热流体仿真分析摘要：锂电池Pack设计需要保证电池始终处在一个比较舒适的温度环境（电池温度范围：15-40℃；电池之间的温差：5-10℃）下工作，从而保证整车的长寿命、良好的续航里程性能、良好的功率性能以及较短的充电时间。
锂电池Pack设计中往往会借助热流体仿真分析来辅助工程师完成pack热管理系统设计，本文从现状出发，介绍了锂电池pack设计中的必备理论知识以及仿真工具，并深入研究了的热流体仿真的基本理论。
关键词：锂电池pack 热流体仿真1 pack热管理设计流程概述在热管理系统设计阶段，可对Pack、模组或电池进行热场仿真分析，根据仿真结果快速地选择出冷却、加热和保温方式；在冷却子系统设计阶段，可以对Pack、模组或电池（带冷却子系统）进行热场和流场仿真分析，根据仿真结果确定冷却通道设计、冷却介质、冷却入口温度和流量以及风扇或泵的参数等。
借助热流体仿真分析工具，大部分的Pack热管理设计工作和部分测试工作都可以在电脑上完成。
大量的设计、制造、测试工作可以被省略，Pack设计的成本也会大幅度下降。
2.基础知识简介和常用热流体仿真工具介绍热流体仿真工程师需要具备相关的理论知识和工程经验。
此外，仿真往往需要借助一些工具。
2.1仿真工程师必备的知识Pack热流体仿真工程师需要具备以下三个方面的技能和经验：1）坚实的热流体理论基础。
具备完善、扎实的热流体理论知识，能对工程中的传热与流动问题进行理论分析。
2）扎实的数学功底。
热流体仿真分析是将热流体物理现象抽象成数学模型，利用数值方法进行求解。
3）丰富的工程实践经验。
对于不同的问题能够进行合理的模型简化，能够结合自己的工程经验对实际问题进行评估并提出解决方案。
2.2热流体仿真软件介绍热流体仿真软件大体分为三类：前处理软件、求解器和后处理软件：常用的前处理软件主要有Gambit、ICEM-CFD、Ansys Workbench等；求解器主要有Ansys Fluent、FloThermal、Star CCM+、X-flow、AVL Fire等；后处理软件主要有Tecplot、Anasys Workbench等。
锂电池的热分析
Abstract
A detailed three-dimensional thermal model has been developed to examine the thermal behaviour of a lithium-ion battery. This model precisely considers the layered-structure of the cell stacks, the case of a battery pack, and the gap between both elements to achieve a comprehensive analysis. Both location-dependent convection and radiation are adopted at boundaries to reflect different heat dissipation performances on all surfaces. Furthermore, a simplified thermal model is proposed according to the examination of various simplification strategies and validation from the detailed thermal model. Based on the examination, the calculation speed of the simplified model is comparable with that of a one-dimensional model with a maximum error less than 0.54 K. These models successfully describe asymmetric temperature distribution inside a battery, and they predict an anomaly of temperature distribution on the surface if a metal case is used. Based on the simulation results from the detailed thermal model, radiation could contribute 43–63% at most to the overall heat dissipation under natural convection. Forced convection is effective in depressing the maximum temperature, and the temperature uniformity does not necessarily decrease infinitely when the extent of forced convection is enhanced. The metal battery case serves as a heat spreader, and the contact layer provides extra thermal resistance and heat capacity for the system. These factors are important and should be considered seriously in the design of battery systems. © 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.
电池热分析
汽车作为日常出行的工具已经有近300年的历史，人们已经离不开汽车。
然而随着石油危机的临近，传统的燃油汽车面临着无油可用的危机。
新能源汽车，尤其是电动汽车将承担起历史的使命。
然而接连出现的安全事故给新能源汽车的发展蒙上了阴影。
2011年4月汽车发生自燃事故。
同年7月汽车发生燃烧事故。
最近，深圳电动出租车被撞燃烧引发人员伤亡。
这唤起了人们对动力锂电池的质疑。
新能源汽车，尤其是锂离子电池驱动的纯电动车还要不要发展？因此深圳沃特玛电池有限公司传来消息，动力锂离子电池通常来说是指能够通过大电流放电给设备、器械、车辆等提供动力的锂离子电池。
动力锂离子电池具有比能量高、大电流充放电、循环寿命长等特点，已经获得广泛应用。
动力锂离子电池根据正极材料的不同分为三元、钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等类型；根据外形的不同分为方型电池（prismatic），圆柱型电池（cylindrical）等。
为提高续航里程，动力锂离子电池通过串并联组合后的能量一般较大，容量从几安时到几百安时不等，电压从十几伏到几百伏不等。
随着携带能量的提高，电池潜在危险性也随之增大。
因此如何提高动力电池的安全性成为电动汽车持续发展的重要前提。
在动力锂电池的发展过程中，一直存在着两个发展方向。
一个方向是大单体电池，通过少量并联组合；一个方向是小单体电池，通过大量并联组合。
韩国LG，国内BYD为代表的企业走的是大方型路线；美国A123，国内沃特玛为代表的企业走的是小型圆柱路线。
这两条路线目前没有定论，不同的动力电池厂家依据自己的理解选择不同的工艺路线。
但是在面对安全性这一指标方面，两种工艺路线的结果差别是非常大的。
本文从动力电池结构、性能方面，特别是安全性方面进行对比分析，来阐述小型圆柱电池在应用于电动汽车等方面的安全优势。
电池结构、性能对比分析圆柱形电池和方型电池是目前业界两大主流方向。
圆柱型电池的基本结构如图 1所示。
正负极之间由隔膜分开，通过卷绕形成卷芯。
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。
电池热分析
对于产品设计师来说，了解影响电池寿命的因素是非常重要的，特别是具有高成本，高功率电池的产品性能和保修责任管理。
提供太低的保修期，你不会卖任何电池/产品。
高估了电池寿命，你可能会失去一笔财富。
* ** * **电池有一个有限的生命是由于不必要的化学或物理变化的发生，或损失，他们所做的活性材料。
否则，他们将无限期地持续下去。
这些变化通常是不可逆的，它们会影响电池的电性能。
本页介绍影响电池寿命的因素。
电池寿命通常只能通过防止或减少在细胞中产生的不必要的寄生化学效应的原因来扩展。
也被认为是改善电池寿命，因此可靠性的方法也被认为是。
日历寿命和循环寿命电池性能随着时间的推移，是否使用或不使用电池。
这就是被称为“日历褪色”。
性能也会随着使用而恶化，这被称为“周期淡出”电池日历寿命是时间的前一个电池变得不能使用，无论是在使用或无效。
有两个关键因素影响日历寿命，即温度和时间，和经验证据表明，这些效果可以表示为两个相对简单的数学依赖关系。
来自Arrhenius Law的一个经验法则描述了一个化学反应所得的速率，每10度增加一倍，在这种情况下，它适用于活性化学品的缓慢恶化的速率增加。
同样，T1／2（或√T）关系表示电池的内阻也随时间t的下面的图说明了这些影响。
日历寿命电池的保质期像日历寿命时间闲置的电池可以存储在它变得可用，通常只有80%的它的初始容量。
参见电池存储电池循环寿命被定义为一个电池可以执行的完整的充放电周期的数量之前，它的标称容量低于其初始额定容量的80%。
影响循环寿命的关键因素是时间T和充放电周期完成的数n。
一个明显的例子是放电深度（见下文），这是一个简单的相互数学关系，但也有许多更复杂的因素，也可以影响性能。
500到1200个周期的寿命是典型的。
实际老化过程的结果随着时间的推移逐渐减少。
当一个单元格到达指定的生命周期时，它不会突然停止工作。
老化过程以相同的速率持续下去，以至于一个容量下降到1000的细胞在80%个周期后可能继续工作到2000个周期，当其有效容量将下降到其原始容量的60%。
本科生毕业设计：锂电池的热分析
• 常用的方法：掺杂
如何改变
复合材料热导率模型
对于掺杂后复合材料热导 率的的计算有三种模型:
其中The linear Rule of Mixtures和The inverse Rule of Mixtures要求材料连续 性良好，电极材料显然不符合条件
电极材料复合石墨烯对热导率的影响
使用掺杂的方法达到所需的热导率需要50%以上的石墨烯，对电极材料会产生影响 结论：常规的复合的方法不太现实 另外的方法：改变电极材料自身的热导、高分子导热材料应用等
改变物性
热导率发生改变时（由于热性质相近，隔膜与电极材料放在一起考虑） 温度变化
最高与最低温度
温差
温度分布随热导提高趋于平缓，温差下降明显
热导率如果可以提高10倍到4W/m.K是比较理想的
热流方向变化
增大电极材料及隔膜的热导率，计算径向与非径向热流的变化
随着热导率增加： • 集流器热流大小变小 • 集流器热流方向向法向偏移 • 电极材料与隔膜的热流基本不发生变化
• Doyle等发展了在各向同性条件下锂/高分子 聚合物/植入型电池行为的微观模型
正方体电池模型 圆柱体模型 同心圆柱体模型
…
集总参数模型 （ Lumped Capacitance Method ）
二维模型 认为轴向没有影响
坐标系变换 极坐标转换成直角坐标
模型建立
阿基米德螺线
二维模型
层数 1
2
3
4
总结
影响电池热分布的三个条件：
• 表面对流换热系数 可以影响温度大小，不影响 温差与热流分布
常用的方法就是采用水冷或者抽气风冷的方式，如 特斯拉使用铝管冷却，管内装有冷却液
• 电池的几何尺寸 减小尺寸可以降低温度缩小 温差，考虑到实际应用电池尺寸的可调性不大
锂电池的热失控及技术分析
总结和展望
1. 热失控的反应十分复杂，大体来说，SEI膜的分解给予电池初始 的热量积累，导致隔膜的熔断分解，由此带来正负极和电解液、 电解液自身的放热、产气反应。 2. 在反应过程中的任何步骤改善都能带来更高的热稳定性和电池 安全性：
① 比如对SEI膜进行界面改造，可以提高初始放热温度；
② 比如陶瓷隔膜更高的熔断温度、更低的内阻； ③ 比如更优良的散热方式，特别是相变材料散热。 3. 这些技术都能增加电池热稳定性，给新能源汽车的未来保驾护 航。
产生。
热失控的影响因素1
① 充放电倍率 充放电倍率越高，电流越大，内阻越大，产热越高。所以在 高倍率充电时候，电池生热速率更快，如果散热体系没有及 时排出热量，产热将会逐步堆积。 ② 内阻
内阻的形成原因和功率输出、DOD、温度等有关，内阻越大，
电效率降低，产生更多的热量堆积。特别是在SOC低于20%的 时候，内阻急剧升高，此时需要降低电池输出功率，保护电 池安全。
热失控的状态研究2
3. 155摄氏度以后 隔膜熔断之后，温度迅速升高，期间负极和电解液反应、正极 与电解液反应、电解液自身分解，材料不同，反应顺序不同， 反应温度也不同。热失控的判断标准是电池表面达到100℃， 由隔膜熔断，正负极短路，电池表面很快达到300℃，最高升
温速率达到220℃/min，反应十分剧烈，电池因此起火爆炸燃
热失控的影响因素2
③ 容量 电池容量越大，电化学反应越多，产热越多。需要的散热功 率越大，如果散热不能满足，产热会越积越多。 ④ 环境温度 环境温度越高，导致部分风冷热交换系数越低，效果越差。
特别是大பைடு நூலகம்量纯电动汽车，风冷很难满足散热需求了。
⑤ 散热方式 为了避免热失控，通过风冷、液冷和相变材料等的散热的方 式，不同的散热方式效果不同，但今天我们只是研究引发热 失控的原因，究其原理，才能对症下药。
单体锂离子电池的热仿真分析方法
单体锂离子电池的热仿真分析方法发布时间:15/04/28 12:58:54 浏览: 527次今天正好有些时间，想起前段时间以来有网友问我关于锂离子电池单体如何分析，下列就ansys软件，简单的说下过程及注意事项。
过热的危害首先应会从单体电池的角度阐述过热的危害，我简单的说一下：电池的组成部分包含电解液、正负极材料、隔膜，铜铝箔等各种材料，温度过高会加速电池的老化速率，当电池的温度如果超过120℃，首先隔膜会收缩，而且正负极材料也会发生分解，电池内部会发生一系列的热反应，种种问题会造成不安全的因素，因而在电池设计时需要考虑电芯单体的温度性能，来确定电池的倍率放电能力。
一般来说除了电池内部发生严重的短路，温度在正常情况下不会超过120摄氏度。
建议没有电化学基础的，先了解一下电池的原理及组成，这样有助于电池几何体的建模和产热的行为分析。
我们经常从网上看到一些图片关于单体的温度性能，如下图：这样的分析结果到底对不对呢，如何精确的得到此图，这需要自己的掌握了。
下列以本人在几年前做的一个单体的分析来说明过程：1.电池参数获取导热系数和比热容是关键的两个因素首先电池参数的获取，下列给大家列出一个实例，里面参数需要大家和电池供应商去沟通。
此图中的参数是某款磷酸铁锂电池的物性参数。
具体体积数据需要计算测量。
由此数据可以计算电池的比热容，导热系数，密度等数据。
首先需要确定电池卷心的结构方式，是层叠式还是卷绕式。
比如层叠式，可以数一下极片的层数，可以完成体积的测量。
有上式可以确定电池的导热系数。
关于比热容，可以用加权法来计算，这里不再赘述。
关于电池的内阻，一般用直流内阻来计算发热量。
2.关于电池的建模针对单体模型的建模程序：包含电芯部分(包括正极片、负极片、隔膜等)作为一个单元进行模型的建立，作为发热源。
其他部分根据根据单体实际模型与尺寸进行建模和设置相关个更变参数，包含极耳、极柱、壳体等主要传热部件。
(A)几何模型1)对于电芯而言，不再分成一片一片的正负极单片，而是将整个电芯拟合为一个整体来考虑，其具有新的物性和形状;2) 对将极耳和正负电极连接起来的金属片而言，根据单体实际模型进行建模，其物性参数取当量值;3) 极耳连接出电极后，各片之间紧密相靠，形成一个整体，厚度为各片厚度之和;4)电池内部空腔部分空气不考虑其流动性，极堆单体之间的液体不考虑流动。
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温度过低会有的主要问题： 温度过低也会影响到电池的性能，尤其对于需要适应各种环境的汽车电 池而言，低温下的表现十分重要
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3
锂电池的结构
正极：钴酸锂 锰酸锂 负极：石墨 集流体：一般用铜或者铝 隔膜：高分子材料 电解液：碳酸酯类溶剂
锂电池的热分析
华中科技大学能源与动力学院
指导老师 2015年1月10日
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1
研究背景
特斯拉电动汽车
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2
热管理的重要性
锂电池的最佳工作温度：20~40℃
温度过高会有的主要问题：
• 电池性能变差：包括有效能下降（材料发生变化）和功率下降
• 自放电问题：自放电发生在不使用的时候，温度上升会增加自放电，对锂 电池而言，自放电会导致过放电，对电池产生不可逆的破坏
• 不同材料间热流差距大 • 方向差异明显 • 总热流先增后减 • 极值点与层厚有关，受边界条件影响
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10
改变几何尺寸
由于过小的尺寸会影响计算造成无法网格化或者无法计算，因此不 改变每层的厚度，改变层数以达到改变几何尺寸的结果 温度随层数的变化：
最值 随温度上升，整体温度与温差都会上升
温差
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18
感谢老师在整个设计过程中给予的指导 感谢答辩委员会的全体老师的指导
谢谢
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19
Backup Slides
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20
•
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21
加入中心对流条件
在中心加入表面对流换热条件
从右图中可以看出 加入中心对流条件 可以降温，减小温 差，但作用不明显
温度分布
中心处热流密度增加了近三倍，主要是切向热流
负极石墨 都是颗粒 状，热导 率非常低
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4
目前研究的现状
• Berrnardi等通过假设电池内温度一致描述了 能量平衡。
• Doyle等发展了在各向同性条件下锂/高分子 聚合物/植入型电池行为的微观模型
正方体电池模型 圆柱体模型 同心圆柱体模型
…
集总参数模型 （ Lumped Capacitance Method ）
常用的方法就是采用水冷或者抽气风冷的方式，如 特斯拉使用铝管冷却，管内装有冷却液
• 电池的几何尺寸 减小尺寸可以降低温度缩小 温差，考虑到实际应用电池尺寸的可调性不大
• 材料热导率 效果最好，可以有效展平温度与 热流分布
掺杂效果有限，而且会影响电极材料的表现
特斯拉电池热管理系统
因此综合考虑，寻找一种新的方法提高电极材料和 高分子隔膜的热导率是未来热管理的一个重要方向
二维模型 认为轴向没有影响
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坐标系变换 极坐标转换成直角坐标
5
模型建立
二维模型
层数 1
2
3
4
5
678
材料 高分 钴酸 铜 钴酸 高分 石 铝 石
子锂
锂 子墨
墨
阿基米德螺线
厚度 1
4
1
4
1 414
比例
热导 0.3 1.2 400 1.2 0.3 1.0 237 1.0
可整理p率pt
6
参数选择
电极材料复合石墨烯对热导率的影响
使用掺杂的方法达到所需的热导率需要50%以上的石墨烯，对电极材料会产生影响
结论：常规的复合的方法不太现实
另外的方法：改变电极材料自身的热导、高分子导热材料应用等
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17
总结
影响电池热分布的三个条件：
• 表面对流换热系数 可以影响温度大小，不影响 温差与热流分布
• 集流器热流方向向法向偏移
• 电极材料与隔膜的热流基本不发生变化可整理ppt
15
• 常用的方法：掺杂
如何改变
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16
复合材料热导率模型
对于掺杂后复合材料热导 率的的计算有三种模型:
其中The linear Rule of Mixtures和The inverse Rule of Mixtures要求材料连续 性良好，电极材料显然不符合条件
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22
采样点选取：
整个模型的计算时长 在十分钟以内
• 取坐标轴上的点并不影响
• 同时取样点避开边界：在计算时并不选择最内层和最外层的点
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8
结果分析：温度分布
温分布特点
• 与圆柱模型分布相似 • 稳态温差并不大（2.52℃） • 热点在最内一层上
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9
结果分析：热流分布
热流分布
热流分布特点
几何尺寸选择以实际为基础，数据取整使计算简单
重点是内热源的选择： 内热源的不均匀性 内热源来源：焦耳热和反应熵变热
有电流流过的地方就有
电极反应的地方
根据已有文献，整个平均过程中两部分作用大致相同
绝缘 电极 集流
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7
采用稳态热分析模块
网格结果：
模拟过程
只研究平面，认为轴向没有 影响，只有外边界有对流条 件，其余部分认为绝热
改变物性
热导率发生改变时（由于热性质相近，隔膜与电极材料放在一起考虑） 温度变化
最高与最低温度
温差
温度分布随热导提高趋于平缓，温差下降明显
热导率如果可以提高10倍到4W/m.K是比较理想的
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热流方向变化
增大电极材料及隔膜的热导率，计算径向与非径向热流的变化
随着热导率增加：
• 集流器热流大小变小
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法向和切向热流随几何尺寸的变化
N=8
N=11
N=15
N=20
• 热流总体趋势不发生大变化：先增加后减小
• 热流的波动随几何尺寸增加而增加
• 热流大小略有增加
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改变表面对流换热系数
右图表示在正常工作条件下电池温度 （沿半径取三个采样点）随h增大的 变化
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