本科生毕业设计：锂电池的热分析
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• 热失控：当温度增高时引发的变化使温度更进一步的增高，产生恶性循环， 因而导致某一种破坏性的正反馈结果。
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
可整理ppt
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
负极石墨 都是颗粒 状，热导 率非常低
可整理ppt
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 ）
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
可整理ppt
1
研究背景
特斯拉电动汽车
可整理ppt
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
可整理ppt
22
• 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
可整理ppt
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
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
可整理ppt
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
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
可整理ppt
8
结果分析：温度分布
温度分布特点
• 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
可整理ppt
9
结果分析：热流分布
热流分布
热流分布特点
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
பைடு நூலகம்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
可整理ppt
14
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
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
可整理ppt
11
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
可整理ppt
12
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
可整理ppt
13
可整理ppt
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
可整理ppt
19
Backup Slides
可整理ppt
20
•
可整理ppt
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
• 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
可整理ppt
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
二维模型 认为轴向没有影响
可整理ppt
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
可整理ppt
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
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
负极石墨 都是颗粒 状，热导 率非常低
可整理ppt
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 ）
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
可整理ppt
1
研究背景
特斯拉电动汽车
可整理ppt
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
可整理ppt
22
• 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
可整理ppt
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
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
可整理ppt
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
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
可整理ppt
8
结果分析：温度分布
温度分布特点
• 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
可整理ppt
9
结果分析：热流分布
热流分布
热流分布特点
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
பைடு நூலகம்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
可整理ppt
14
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
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
可整理ppt
11
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
可整理ppt
12
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
可整理ppt
13
可整理ppt
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
•
可整理ppt
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
• 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
可整理ppt
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
二维模型 认为轴向没有影响
可整理ppt
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
可整理ppt
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