邵艷濤，姜保軍

Shao Yantao，Jiang Baojun

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

動(dòng)力鋰離子電池溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真分析

邵艷濤，姜保軍

Shao Yantao，Jiang Baojun

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

針對(duì)放電過程中，鋰離子電池生熱和散熱問題，利用有限元分析軟件ANSYS/Fluent，模擬分析鋰離子電池在不同對(duì)流換熱系數(shù)和不同放電倍率條件下的三維溫度場(chǎng)分布情況。結(jié)果表明，鋰離子電池溫度場(chǎng)分布情況與對(duì)流換熱系數(shù)和放電倍率存在一定關(guān)系。

鋰離子電池；ANSYS；溫度場(chǎng)

0 引 言

作為純電動(dòng)汽車三大核心部件之一，憑借其能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，動(dòng)力鋰離子電池成為純電動(dòng)汽車的優(yōu)先選擇。然而在實(shí)際應(yīng)用過程中，鋰離子電池燃燒爆炸安全問題成為阻礙純電動(dòng)汽車快速發(fā)展的致命因素，其原因大部分是因?yàn)殡姵貎?nèi)部大量熱量的產(chǎn)生導(dǎo)致電池溫度升高。過高的電池溫度會(huì)降低電池的使用性能、循環(huán)壽命和安全性，同時(shí)，電池內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的熱量如不能夠及時(shí)散失掉，也將導(dǎo)致電池溫度不斷升高，從而加劇電池的惡性循環(huán)；因此，在不同對(duì)流換熱系數(shù)和不同放電倍率條件下對(duì)鋰離子電池的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。

選用目前應(yīng)用比較廣泛的圓柱形 18650鋰離子電池，利用有限元仿真軟件ANSYS/ Fluent對(duì)鋰離子電池三維溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，獲得電池整體溫度分布情況。其正極材料為L(zhǎng)iCoO2，負(fù)極材料為石墨，電池的物理參數(shù)見表1。

表1 電池物理參數(shù)

1 鋰離子電池單體三維瞬態(tài)傳熱模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

鋰離子電池由正負(fù)極片、正負(fù)極集流體和隔膜等材料組成，它們之間按照一定順序疊繞而成。電池單體內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果按照真實(shí)的實(shí)物進(jìn)行建模非常困難，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì) 18650電池物理模型作如下簡(jiǎn)化和假設(shè)。

1）電池內(nèi)部輻射散熱影響忽略不計(jì)；

2）電池內(nèi)部對(duì)流換熱影響忽略不計(jì)；

3）電池的各種性能參數(shù)（包括內(nèi)阻）為常數(shù)，不隨溫度和放電深度變化；

4）電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻；

5）電池在各個(gè)方向的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)相同。

根據(jù)以上簡(jiǎn)化和假設(shè)，建立圓柱形鋰離子電池三維瞬態(tài)產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型［1］

1.2 電池內(nèi)部生熱速率的確定

電池在正常充放電過程中，產(chǎn)熱量主要來自電化學(xué)反應(yīng)生熱、極化內(nèi)阻生熱和歐姆內(nèi)阻生熱。目前，電池產(chǎn)熱通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算 2種方法獲得，文中采用Bernardi等［2］人提出的理論公式

式中，I為電池單體電流，放電為正，充電為負(fù)，A；V為電池體積，m3；Eoc為電池開路電壓，V；E為電池工作電壓，V；T為電池工作溫度，K；dEoc/dT為溫度影響系數(shù)，在很小的范圍內(nèi)變動(dòng)，其取值為-0.3 mV/K［3］。

（Eoc-E）可以用電池電流與電池內(nèi)阻乘積表示，式（2）可以簡(jiǎn)化為

式中，R為電池內(nèi)阻，m?。由此可得出鋰離子電池單體1C、2C、3C和4C放電時(shí)單位體積的生熱速率，結(jié)果見表2。

表2 鋰離子電池單體不同倍率放電時(shí)單位體積的生熱速率

2 鋰離子電池單體生熱溫度場(chǎng)仿真分析

圓柱形 18650鋰離子電池簡(jiǎn)化為圓柱體，包含電池殼和內(nèi)核。電池的性能參數(shù)見表3。幾何模型使用ANSYS/ICEM CFD軟件中非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為31 567，如圖1所示。仿真模型采用ANSYS/Fluent有限元分析軟件中的瞬態(tài)分析和Laminar層流模型，單體電池與周圍流體初始溫度均為298.15 K。

表3 圓柱形18650鋰離子電池性能參數(shù)

2.1 不同放電倍率對(duì)電池溫度場(chǎng)和電池最高溫度的影響

對(duì)流換熱系數(shù)h為10 W·m-2·K-1，當(dāng)鋰離子電池單體以1C、2C、3C和4C放電結(jié)束時(shí)，電池單體溫度場(chǎng)分布云圖如圖2～5所示。

圖1 電池單體有限元模型

圖2 1C放電

圖3 2C放電

圖4 3C放電

圖5 4C放電

從圖2～5可以看出，當(dāng)電池單體在其他條件不變，放電倍率分別為1C、2C、3C和4C時(shí)，電池最高溫度依次為 33.6 ℃、45.8 ℃、58.6 ℃和71.5 ℃，電池最低溫度依次為 33 ℃、44.4 ℃、56.3 ℃和 68.4 ℃，電池單體內(nèi)外溫度差分別為0.6 ℃、1.4 ℃、2.3 ℃和3.1 ℃。形成以上結(jié)果的原因在于，電量相同的電池，隨著放電倍率的增大，電池放電時(shí)間縮短，導(dǎo)致電池短時(shí)間內(nèi)釋放出的熱量越多；同時(shí)電池是一個(gè)均勻的發(fā)熱源，表面散熱面積固定，散熱時(shí)間越短，熱量則無法迅速通過周圍冷卻流體散失掉，從而熱量在電池內(nèi)部發(fā)生聚集，造成核心處溫度升高，電池內(nèi)外溫差變大。

2.2 不同對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)電池溫度場(chǎng)和電池最高溫度的影響

電池按2C放電，當(dāng)電池表面對(duì)流換熱系數(shù)h不同時(shí)，電池單體內(nèi)部溫度場(chǎng)分布如圖6～9所示。

圖6 h=5W·m-2·K-1

圖7 h=10W·m-2·K-1

圖8 h=15W·m-2·K-1

圖9 h=20W·m-2·K-1

從圖6～9可以看出，當(dāng)鋰離子電池單體按2C倍率放電，對(duì)流換熱系數(shù)分別為5 W·m-2·K-1、10 W·m-2·K-1、15 W·m-2·K-1和20 W·m-2·K-1時(shí)，電池最高溫度分別為53.2 ℃、45.8 ℃、41.1 ℃和38 ℃，電池最低溫度分別為52.2 ℃、44.4 ℃、39.5 ℃和36.3 ℃，電池最高溫度之間的溫度差為7.4 ℃、4.7℃和3.1 ℃，電池單體內(nèi)外溫度差為1 ℃、1.4 ℃、1.6 ℃和1.7 ℃。形成以上結(jié)果的原因在于，對(duì)流換熱系數(shù)越高，電池表面與周圍冷卻流體交換的熱量越多，電池外殼與外界交換熱量越快，電池最高溫度越低，電池溫度差越大。同時(shí)，隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增加，對(duì)電池最高溫度影響越小，其相應(yīng)的成本越高，因此，對(duì)流換熱系數(shù)應(yīng)設(shè)置在合理的范圍內(nèi)。

3 結(jié) 論

以圓柱形18650鋰離子電池單體為研究對(duì)象，通過合理的簡(jiǎn)化和假設(shè)，利用ANSYS/ Fluent有限元分析軟件，模擬仿真鋰離子電池單體在不同放電倍率和不同對(duì)流換熱系數(shù)下的三維溫度場(chǎng)分布情況，并分析了數(shù)據(jù)結(jié)果。通過分析數(shù)據(jù)結(jié)果，得到如下結(jié)論：

1）放電倍率越高，則電池散熱時(shí)間越短，電池最高溫度越高，電池內(nèi)外溫度差越大；

2）對(duì)流換熱系數(shù)越高，則電池表面與周圍冷卻流體換熱越多，電池最高溫度越低，電池內(nèi)外溫度差越大，但相應(yīng)的由電池散熱所消耗的開支越高，因此，對(duì)流換熱系數(shù)應(yīng)設(shè)置在合理的范圍內(nèi)。

［1］楊世銘，陶文銓. 傳熱學(xué)［M］. 北京：高等教育出版社，2006.

［2］Bernardi D， Pawlikowski E， Newman J. A General Energy-balance for Battery Systems［J］. Journal of the Electrochemical Society， 1985，132（1）： 5-12.

［3］V S，Y WC. Analysis of Electrochemical and Thermal Behavior of Li-ion Cells［J］. Journal of the Electrochemical Society， 2003， 150（1）：98-106.

TM912

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.006

1002-4581（2016）05-0019-03

2016-03-28