張鳳濤，胡欲立，溫杰，唐凡

(西北工業(yè)大學航海學院，陜西西安 710072)

鋰離子蓄電池溫度場仿真分析

張鳳濤，胡欲立，溫杰，唐凡

(西北工業(yè)大學航海學院，陜西西安 710072)

近年來，鋰離子蓄電池得到了飛速發(fā)展和廣泛應用。但是，鋰離子蓄電池使用時的發(fā)熱問題不僅會嚴重影響鋰離子蓄電池的性能和壽命，而且存在安全隱患。因此提出利用有限元軟件Ansys10.0對ICR65/400型鋰離子蓄電池在其工作時溫度場的分布情況進行仿真分析，并討論了不同的放電速率和表面?zhèn)鳠嵯禂祵︿囯x子蓄電池內部溫度場分布的影響。結果顯示，不同的放電電流和表面?zhèn)鳠嵯禂祵﹄姵貎炔繙囟鹊姆植加兄黠@的影響。

鋰離子蓄電池；放電速率；溫度場；仿真

鋰離子蓄電池近年來得到了飛速的發(fā)展，并已經被廣泛地應用于航空、航天、航海等諸多領域。自上世紀70年代以來，很多學者都致力于鋰離子蓄電池的研究：Long Cai、Ralphd等人通過正交分解的方法研究了鋰離子蓄電池的電化學行為[1]；Karthikeyan Kumaresan等人通過實驗與仿真的方法研究了不同放電速率時鋰離子蓄電池內部溫度變化情況[2]；Venkat Srinivasan和C.Y.Wang分析了鋰離子蓄電池的電化學行為與熱行為之間的關系[3]；鋰離子蓄電池放電時，由于內阻發(fā)熱、極化放熱、化學反應熱等產生大量熱量，導致電池內部溫度快速升高。若鋰離子蓄電池內部溫度過高，在短時間之內不能迅速傳播到外界，會引起電池內部的各種反應，包括SEI膜分解反應、嵌鋰碳)與電解液的反應、嵌鋰碳與粘結劑的反應、電解液分解反應，以及正極材料的分解反應[4]。這些反應的發(fā)生不但減短電池的壽命，而且電池內部熱量積聚到一定程度還可能引起爆炸。因此，為了更好地對鋰離子蓄電池的熱量進行管理以及對鋰離子蓄電池系統(tǒng)進行維護與使用，有必要對鋰離子蓄電池放電時的溫度場進行分析，了解電池內部的溫度場的分布以及電池內部的最高溫度。本文利用Ansys10.0軟件對ICR65/400型鋰離子蓄電池放電時電池內部溫度場進行了仿真分析，并分析了放電速率和表面?zhèn)鳠嵯禂祵﹄姵販囟鹊挠绊憽?/p>

1 模型建立

1.1 簡化假設

為了建立電池的仿真模型，對電池的溫度場進行仿真分析，作出了以下簡化假設：(1)由于電池內部電解液的流動性很差，因此電池內部的對流換熱可以忽略不計；(2)電池內部輻射對散熱的影響非常小，因此可以忽略不計；(3)電池內部的各種材料是各向同性的，因此電池內部的溫度只在徑向上變化，在其他方向上不變化；(4)熱量在電池內部是均勻產生的；(5)電池散熱邊界條件只考慮對流換熱。

1.2 生成熱的確定

鋰離子蓄電池放電時，其內部熱量主要由以下三部分組成：(1)由內阻產生的熱量(歐姆熱)；(2)極化反應放出的熱量(不可逆熱量)；(3)內部化學反應放出的熱量(可逆熱量)。D. Bernardi、J.Newman等人認為電池內部熱量是均勻產生的[5]，電池內部生成的熱量可由下面的公式來確定：

表1 ICR65/400型鋰離子蓄電池基本參數

1.3 控制方程

根據以上簡化假設可知，ICR65/400型鋰離子蓄電池可以視為常物性、有內熱源的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，但由于假設溫度只在電池的徑向上發(fā)生變化，故可簡化為一維瞬態(tài)傳熱模型，其數學模型控制方程[6]為：

1.4 求解條件的確定

對于瞬態(tài)導熱來說，為了保證解的唯一性，必須給出過程開始時刻物體內的溫度場。鋰離子在放電以前，電池內部的溫度場是均勻分布的。這里假設電池放電以前電池的溫度為300 K。為了研究表面?zhèn)鳠嵯禂祵﹄姵厣岬挠绊懀疚闹须姵剡吔缟岱绞絻H考慮對流換熱方式，忽略輻射換熱對電池溫度場的影響。

表2 ICR65/400型鋰離子蓄電池溫度場邊界條件

2 求解分析

2.1 建模分析求解

本文采用Ansys10.0軟件對ICR65/400型鋰離子蓄電池的溫度場進行分析，其外形尺寸如圖1所示。

由于ICR65/400型鋰離子蓄電池為圓柱形呈對稱分布，且電池溫度只在徑向變化，故在建模分析時，抽取圓柱體的1/4體積來進行建模，溫度場分布圖抽取其中的一個橫截面進行分析，其生成的網格如圖2所示。

圖2 電池1/4體積網格劃分

2.2 結果分析

2.2.1 放電速率對電池溫度場分布的影響

圖1 ICR65/400型鋰離子蓄電池外形示意圖

圖3 1放電時電池的三維溫度場分布圖

圖4 1放電時電池端面的溫度場分布圖

圖5 2放電時電池的溫度場分布圖

圖6 0.5放電時電池的溫度場分布圖

2.2.2 表面?zhèn)鳠嵯禂祵﹄姵貎炔繙囟葓龅挠绊?/p>

圖7=10 W/(m2·K)，1放電時電池溫度場分布

圖8=10 W/(m2·K)，1放電時電池溫度場分布

圖9=50 W/(m2·K)，1放電時電池溫度場分布

3 結論

本文通過理論分析并結合實際情況建立了ICR65/400型鋰離子蓄電池的數學模型，使用Ansys10.0對ICR65/400型鋰離子蓄電池放電時的溫度場進行了仿真模擬，分別得到了放電速率為1、=10 W/(m2·K)，放電速率為2、=10 W/(m2· K)，放電速率為0.5、=10 W/(m2·K)，放電速率為1、= 20 W/(m2·K)，放電速率為1、=50 W/(m2·K)時，ICR65/400型鋰離子蓄電池的溫度場分布圖。由文中仿真結果可知，電池的溫度梯度在徑向分布比較明顯，溫度梯度比較大，而在軸向，溫度梯度非常小，基本沒有。原因為：在放電時，假設電池的邊界條件為側面對流換熱，而電池的兩端面為絕熱邊界，實際中應該考慮兩端面散熱對電池溫度場分布的影響；其次，電池內部軸向材料的熱導率比徑向材料的熱導率大，使得電池在軸向溫度傳播得比較快，電池溫度梯度比較小，而在徑向有明顯的溫度梯度。

根據得出的溫度場分布云圖可知：(1)電池放電速率越快，電池放電時間越短，電池內部產生的熱量越難散發(fā)出來，電池中心的溫度就越高，電池內部和外壁的溫度差就越大，溫度場越不均勻；(2)表面?zhèn)鳠嵯禂翟礁撸瑔挝粫r間內通過電池外壁散發(fā)出去的熱流量就越多，電池中心的溫度就越低，電池內部與外壁的溫度差就越小，溫度場越均勻；(3)隨著表面?zhèn)鳠嵯禂档脑黾?，電池內部與電池外壁的溫度差逐漸減小，電池內部的溫度場分布越均勻；(4)采用不同換熱方式時，對電池內部最高溫度的抑制有明顯差別，采用強制對流換熱方式時，能夠有效降低電池內部最高溫度。

[1]CAI L,WHITE R E.An efficient electorchemical-thermal model for a lithium-ion cell by using the proper orthogonal decomposition method[J].Journal of the Electromical Society,2010,157(11): A1188-A1195.

[2]KUMARESAN K,SIKHA G,WHITE R E.Thermal model for a Li-ion cell[J].Journal of the Electromical Society,2008,155(2): A164-A171.

[3]SRINIVASAN V,WANG C Y.Analysis of electrochemical and thermal behavior of Li-Ion cells[J].Journal of the Electromical Society, 2003,150(1):A98-A106.

[4]龐靜，盧世剛.鋰離子蓄電池高溫反應及其影響因素[J].電池工業(yè)，2004,9(3):136-139.

[5]BERNARDI D,PAWLIKOWSKI E,NEWMAN J.A general balance for battery systems[J].Journal of the Electromical Society,1985, 132(1):5-12.

[6]陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，2001.

Simulation of li-ion battery's temperature field

ZHANG Feng-tao,HU Yu-li,WEN Jie,TANG Fan

Lithium battery was developed rapidly and applied widely.The performance and longevity of lithium battery were deeply influenced by the problem of heat generation,and the safety problems were appeared.By using the software Ansys10.0,the temperature field equality for ICR65/400 Li-ion battery was analyzed and simulated,and the factors affecting the temperature lines with time and the temperature field of Li-ion battery including discharge rate and convection coefficient were discussed.The result indicates that the temperature field equality of ICR65/400 Li-ion battery is influenced obviously by the discharge rate and convection coefficient.

Li-ion battery;discharge rate;temperature field;simulation

TM 912

A

1002-087 X(2014)02-0241-04

2013-06-06

張鳳濤(1988—)，男，山東省人，碩士生，主要研究方向為水下航行器動力推進技術。導師：胡欲立(1963—)，男，湖南省人，教授，博士生導師，主要研究方向為先進控制技術及計算機仿真、水下自主航行器動力推進技術、流體傳動與控制工程等。