SSB蓄电池新能源汽车锂电池热安全研究

2026-01-19 11:11:14

摘  要当今世界，发展新能源属于历史潮流，这归因于以石油、煤炭以及天然气作为首要石化能源时，显现出了资源危机，就算不算入随着持续开采储存量渐渐匮乏这一问题，使用石化能源后产生的气体作为温室效应气体排放至大气中后，致使全球变暖，破坏了生态环境，所以当下世界上的大国均开始将能源战略导向开发新能源，此可为人类可持续发展提供重要支撑 。新能源汽车，是新能源领域关键部分嘛当属，是世界诸多国家全力研究的重点对象，那当前在市面上所拥有的那些新能源汽车哇瞧，以锂电池当作动力电池去运用打造起的汽车最为具有普遍性，占据了这主端的那广阔的市场，然而鉴于来自技术层面的那种瓶颈，电动汽车一直以来都是存有各式各样的安全方面的问题，好比充电中引发的爆炸，行驶之际发生的自燃之类的状况，哦而这里这些状况大多数都是由于锂电池进行散热时呈现不良所引发造成的，为了能够成功打破阻挡技术前行的障碍，并且提升汽车的安全性，还要保障相关人员的安全，针对锂电池的散热展开分析始终是最为重要关键的事情！

在阅读大量文献后，充分研究了锂电池的结构、工作原理、产热与散热原理前提下，以某款电动车的锂电池作为研究对象，经公式计算确定锂电池热物性参数，接着运用流体仿真软件Ansys Fluent对单体锂电池开展温升实验，探究单体锂电池在不同放电速率时的温度升高状况，最后针对锂电池组进行温升仿真实验与风速散热仿真情况，探究锂电池的风速对锂电池散热的影响，进而对电动汽车锂电池的散热做出较为准确的分析。

关键词：新能源；电动汽车；锂电池；散热；仿真

引  言2020年10月26日，至29日这几天里，中国共产党召开了十九届五中全会，地点在北京，此五中全会的《建议》又一次提出，我们要持续努力去建成科技工程化强国，还要建成网络工程化强国，以及数字中国，并且要继续加快发展以及壮大新时期下的信息技术，还有新能源、新材料、高端设施和装备、新能源汽车、绿色环境保护，以及航空、水陆军、海洋装备等新兴产业。由此能够看出，国家对新能源有着重视以及准确把握，所以作为理工学院的人才，我们应当理解怎样为新能源、绿色能源投入更多精力。当今新能源汽车的重要能源之一是电动车的锂离子电池，它具备很高的能量密度、电压以及稳定性，自放电速率较低(张福斌，2020)，因此迫切需要对锂离子电池投入更多研究来获取更安全且有效率的新型锂电池。其中，锂电池安全研究的重点一直是散热问题，将电池工作时的温度维持在安全范围内，能使锂电池充分发挥其最佳工作性能，提升使用寿命、稳定性以及安全性，大幅拓展其应用范围(潘仲鸣，2019)。当锂电池处于工作状态时，若其温度超出安全范围，这会对电池的使用性能产生极大影响，如此就会减少电池的使用寿命，严重情形下甚至会给使用者带来生命财产损失。这些年来，伴随锂电池的快速发展，因锂离子电池使用不安全的情况，使得锂电池发生自燃甚至爆炸的报道时常出现，尤其是在新能源汽车领域里，从动力锂电池引发新能源汽车自燃和爆炸的状况一直都是广大媒体热点关注的对象 。比如，在2019年，于上海的某一个地下车库之内，出现了一起电动汽车自燃爆炸的事件，在西安，一辆蔚来电动汽车发生了自燃的事件；到了2020年，发生了一起北汽新能源汽车在充电时爆炸起火的事件，有两起威马电动车在充电时候，产生了自燃起火事故的事件；还存在一起威马电动车在充电时着火烧毁的事件。

图1.1电动车自燃事件

一篇篇报道，触目惊心，从中可知，锂电池安全性与电池散热控制紧密相连，要保障锂电池安全使用，得针对锂电池充放电时产生的热量，保证锂电池使用时最高温度处于安全温度梯度内。所以，为推动动力锂电池进一步普及，助力新能源汽车发展与研究，有必要研究锂离子电池产热机理和散热机理等，这对锂电池及新能源汽车发展有极大促进作用！

1、动力锂电池热特性分析基础

1.1. 动力锂电池基本结构

完全能够进行循环充电的动力锂电池，乃是一种锂离子蓄电池，其电极运用的是含有大量锂元素的复合材料，充放电凭借锂离子在正极与负极之间做来回运动这一原理。不管是何种类型的锂电池，其根本结构涵盖：正极(基材和图层)，负极(基材和图层)，隔膜，正极牵引线(导柄)，电解液，负极牵引线(导柄)，壳体(巫扬勋，2015)等。具体情形如图1.1所示：

图1.1锂电池的结构组成

正极方面，正极材料具备的性能，会对锂离子电池在运行时候展现出的性能产生颇为重大的相关影响。锂离子电池容量所具备的大小，和正极材料拥有的电化学性能紧密相连，存在着密切的关系。当前，在实际使用过程中，被时常采用的正极材料包含了磷酸铁锂、锰酸锂以及三元材料等这些类型 。

负极，乃是锂离子跟电子的搭载之处，起着能量储藏以及能量开释的功用。当下，锂电池负极材料大多运用含碳物质、石墨物质、钛酸锂，还有其他新型负极材料。

电解液，其主要发挥的作用是运输电荷，当下常常被使用的电解液材料包含常用有机溶剂以及有机电解质锂盐。隔膜，依据结构与组成的差异，能够把动力锂电池的隔膜材料划分成聚丙烯或者聚乙烯隔膜。

第一种外壳，按材料的不同，能够划分成钢壳以及铝壳。锂电池的各个组分，还有常见材料，如下图1.2展示那样 。

2、动力锂电池工作原理

在锂电池充电时，锂离子以电解液作为其进行移动的载体，经隔膜从正极延伸至负极，而所带的电子却是通过外接的电路延伸至负极，基于此来满足电荷守恒。在锂电池放电时，负极会发生氧化反应，锂离子从正极出来后经电解质插层到负极。与此同时，相同数量的电子会越过外电路以实现电荷对等，于此过程中正极材料会让从外电路获取的电子与从溶液中来的锂离子发生还原反应，电极和电解质所在之处实现电子电流与离子电流的调换。锂离子在电池的正、负两极之间做往复运动，如同摇椅一样来回摆动，所以锂离子电池能被称作“摇椅式电池”(陈展，2018)，锂电池在进行充放电时，并没有采用以前常见的方式来达成电子的迁移，而是借助锂离子于层状物质晶体内部的进出状态，引发能量的变化，从其充放电以及化学反应的可逆性层面深入剖析，锂离子电池的充放电行为和化学反应属于一类理想的具有可逆性的化学反应，以。

以电池作为例子（钱舜田，2013），在其进行充电以及放电的时候，电化学反应式子有着的表述为：

正极：

负极：

总反应：

锂电池工作原理图

3、锂电池热模型的建立

是对锂电池产热，传热以及散热予以描述的锂电池的热模型。在电动汽车锂离子电池实际的工作流程里，无法單纯依照电池表面的温度布局情形去判定电池内部化学反应生成热量的温度布局情形。电池表面的温度布局并不等同于电池内部的温度布局，所以，必须构建锂离子电池的热模型，预先预测电池中化学反应所产生的热量，且思索温度场的布局，在构建热模型之前先开展以下假设：

（1）电池内部辐射传热和对流传热忽略不计；

（2）在电池内部热量是均匀分布的；

（3）电池热物性参数皆为常数；

（4）电池内部各类材料的性能各向同性。

通过将能量守恒予以综合，并且融合傅里叶导热定律而来，从而构建起锂电池三维非稳态热模型，其中对于方形锂电池存在着通用公式，具体为：

式中—电池平均密度，单位为kg/m3；

—电池平均比热容；

—电池温度，单位为K；

、、——锂电池沿x、y、z方向的导热系数；

—时间，单位为s；

—体积生热量。

建立的电池三维热模型可用图表示，分成电池内部和壳体。那些因电池内热源而产生的、得以再经过电池外表面转而被转移到外界气体当中去的热量，其单位是J ，句号。表示电池内部生成的热量，单位为J；为外部空气温度，温度为K；

表示电池温度，温度为K。

图2.1锂电池热模型

根据公式能够知道，要去建立这个热模型，还得确定三个热物性参数，这三个参数分别是，电池平均密度，电池平均比热容，电池各方向的导热系数。

3.1 热物性参数的确定

在电池热问题研究里，电池化学反应极为复杂，为简化模型以更优计算，需作如下假定：构成电池多种材料介电常数平均，密度无区别；相同方向有差别材料传热系数相同；锂电池充放电时，经过电池各部分电流密度一致，即锂电池热物理参数均匀不变 ，此结论来自杨晨等（2005）给出的电池热物性参数主要指密度、比热容和导热系数 。

（1）电池平均密度：简化为电池整体质量与体积的比值。

式中为组成电池各物质的质量，单位为kg，为电池各物质构成的体积，单位为m3。

（2）电池具有平均比热容，其所采用的获取方式是，针对不同组成结构物质的比热容质量做加权平均计算来得到电池平均比热容的精确数值，给出此方式的人是王健，时间为2013年。 。

式中——电池单体的平均比热容；

——为组成电池各物质的质量，单位为kg；

——分别为电池各物质的比热容；

——是电池总质量，单位为kg.

（3），电池各向导热系数得以确定，锂离子电池的导热系数呈现各向异性，通常利用依照Chen（Chen S C，2005）所发表的、与计算电路相似的等效电阻的计算方式，进而得出电池的各向导热系数。通过对传热学里串并联产生热量内阻原理展开研究，可把锂电池的几何模型的方向，设定为与电池正负极板成直角的X轴，沿着X轴、Y轴及Z轴，电池所产生的热量，能被视作电路中的一种并联形式，依据三个坐标轴方向上所产生热量的状况，可被看作是串联形式，进而获取导热系数，将x、y、z方向的导热系数代入下述公式予以计算：

式中，

——电池x方向的导热系数；

——电池y方向的导热系数;

——电池z方向的导热系数;

——电池x方向的尺寸长度/总厚度，单位为mm;

——电池y方向的尺寸长度/总厚度，单位为mm;

——材料i在x方向的厚度，单位为mm；

——材料i在y方向的厚度，单位为mm；

——材料i的导热系数。

4、单体锂电池温度场分析

4.1. 仿真几何模型简化假设

依据上文能够得知，锂电池的基本结构主要涵盖有，正极之处包含基材以及图层，负极那里有基材和图层，还存在隔膜，另外有正极引线也就是导柄，电解液，以及负极引线即导柄，还有壳体等，这般复杂的结构会给仿真增添极大的难度，并且没办法确保结果的准确性，因而为了后面仿真处理的便利，必须要简化模型，并且针对仿真作出如下样的假设，其一，外部结构尺寸与实际具备的尺寸维持相同，消除掉圆角与倒角，以及诸如一些通风孔之类的细微特征 。

（2）将整个电池绘制成一个实体，不去考虑电解液，以及电池内部的隔膜、正负极片、电路板、引线等结构，不去顾及电解液之间的换热，还有内部繁杂的化学反应流程，把电池内部所有组成材料看作是平均分布，且密度整体一致 。

（3）将电池内部进行产热的情况看作是均匀展开分布且处于稳定状态的，热量于电池内部是以均匀的方式产生出来的。把相同材料的热容视作是一个不会发生改变的数值，并且在相同方位的热导率不存在区别。对于电池极柱而言视为不会产生热量。

4.2. 单体锂电池几何模型建立

此文中所探究的呈方型样子的运用动力类型的锂电池，乃是由某一公司制造生产的磷酸铁锂电池，这类锂电池的各个参数情况如同表格所显示的那般。

表4-1电池参数表

项目	参数
电池型号 电化学类型 额定容量 额定电压 质量 尺寸 工作温度范围	IPF66/182/295 磷酸铁锂 50Ah 3.2V 5.3kg 182*66*295

利用专业三维建模软件Creo绘制单体锂电池几何外形，在外流场中心，把尺寸为182*66*295的单体锂电池挖出，外流场尺寸是885*1092*1320，让空气与锂电池进行流固耦合，详情如图4.2这般 。

.1所示：

图4.2锂电池几何模型

5、锂电池组散热分析

靠单个单体电池给电动汽车供能这点做不到，得有足量单一电池聚合成动力源才行，可是电动汽车内部空间有限，电池组能占的容积极小，鉴于这种状况，要保证有充足电池作动力源，就得无缝隙排列一些小单体电池，如此构成的电池组因空间封闭，其产生的热量得迅速排到箱体外部，不然会致使电池组温度过高，使温度失控(帅令，2018)。想要实现恰当散热，必须先剖析电池组的温度分布情况标点)。

将容量是50Ah、单体间隙为6mm的电池单体进行挑选，从中选出6个，每3个这样的电池进行串联，随后把两组已经完成串联的电池进行并联，从而形成样本电池组，基于后续划分网格以及求解的便利性考虑，在此处忽略极耳的尺寸，不对其展开研究。

5.1. 建立几何模型

在Creo里，建立起几何模型，首先要构建出空气域外流场，其尺寸是800*300*500，接着在空气域内部挖出6个锂电池模型来，这6个摸型有属于各自指定且不同的名称从锂电池1号至锂电池6号哦，它们的尺寸是295*66*182，锂电池不同个体彼此之间存在间隙，这个间隙为6mm，并且单个锂电池与各边界之间的距离是42mm，呈现的状态对应如下图6.1所示。

1号锂电池，4号锂电池，空气要通过空气进口被放进空气出口的区域，3号锂电池在了空气域，2号锂电池出现这里在其中，5号锂电池，6号锂电池 。

图5.1锂电池组几何模型

5.2 网格划分

把几何模型导入ICEM里，开展非结构网格划分，先定义各部分边界来做模型拓扑，找出无需修补之处，借助创建part定义边界，主要创建外部空气域的入口命名为INLET，空气域的出口命名为OUTLET，以此为后续探究风速对锂电池温度影响求解做准备，空气域的其他面设为AIRWALL，6个锂电池的壁面依序设为BETTYWALL1至BETTYWALL6；随后通过创建body的方式定义模型的计算域，定义外部空气域为流体计算域AIR，依次分别定义6个锂电池为固体计算域BETTY1至BETTY6；如图5.2所示的是在ICEM CFD软件中定义好了边界的模型。

图5.2锂电池组边界

将全局尺寸设定成8mm，鉴于空气域跟锂电池的尺寸存在较大差异，故而把各锂电池的电池尺寸分别设为3mm，接着开展非结构化网格划分，最终所获得的网数量是10283839，如图5.3所示。

图5.3锂电池组网格划分

总  结 本研究针对新能源汽车的锂电池温度场搞了仿真模拟，通过此去分析影响锂电池散热的各种因素，进而才获得相应的结论 。本文在所侧重研究的锂电池方面 ，重点内容以及结论呈现如下 ：

将某款型号电动车的锂电池确定为第一步的研究对象，查找其相关尺寸参数，采用 Creo 三维建模软件搭建物理模型，且在搭建前进行适当简化，。

分别把建立好的单体锂电池物理模型放入ICEM CFD网格分割软件，进行网格分割，观察 grid 质量并改至质量满足要求，得到满足要求的该物理模型网格，再把建立好的锂电池组物理模型放入ICEM CFD网格分割软件进行网格分割，之后观察其网格质量并改至质量满足要求，获得网格质量满足要求的该锂电池组网格模型 。

1. 把划分好了的网格模型，放置到流体仿真软件FLUENT里面。 2. 采取各个工况的设置之后。 3. 针对锂电池的温度分布场展开研究。 4. 最终得出了以下的结论：以内，到了2.5C放电速率后，电池的温度就已经超过50是这个安全工作的温度，因而平常日子里的运用最好应当把控为控制在2.5C放电速率的情形下进行运用 。左边与右边是这样的情况，这是由于电池所处的环境已经不一样了，其周围到处都存在着发热体，以至于温度受到了相应的影响从而跟着一块儿往上升高了。