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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,研究背景,特斯拉电动汽车,热管理的重要性,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 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。,锂电池的最佳工作温度：2040 温度过高会有的主要问题：,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,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,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,集总参数模型 （ Lumped Capacitance Method ）,二维模型,坐标系变换 极坐标转换成直角坐标,正方体电池模型 圆柱体模型 同心圆柱体模型,认为轴向没有影响,模型建立,阿基米德螺线,二维模型,参数选择,重点是内热源的选择：,几何尺寸选择以实际为基础，数据取整使计算简单,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,模拟过程,网格结果：,采样点选取：,整个模型的计算时长在十分钟以内,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,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,采用稳态热分析模块,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,结果分析：热流分布,热流分布,热流分布特点,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,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：,随温度上升，整体温度与温差都会上升,最值,温差,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,法向和切向热流随几何尺寸的变化,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,改变物性,温差,最高与最低温度,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,温度变化,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）,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,如何改变,常用的方法：掺杂,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:,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,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,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,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,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,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,特斯拉电池热管理系统,谢谢,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,Backup Slides,加入中心对流条件,在中心加入表面对流换热条件,中心处热流密度增加了近三倍，主要是切向热流,温度分布,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,
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