余小清，陳國喜，鄒嘉林，陳東云，王宣懿

（重慶郵電大學(xué)先進(jìn)制造工程學(xué)院，重慶 400065）

基于ANSYS的18650鋰離子電池單體穩(wěn)態(tài)熱分析

余小清，陳國喜，鄒嘉林，陳東云，王宣懿

（重慶郵電大學(xué)先進(jìn)制造工程學(xué)院，重慶 400065）

鋰電池性能優(yōu)越廣泛應(yīng)用于電動汽車,但在使用過程中會大量發(fā)熱，存在安全隱患。針對18650鋰電池單體建立了三維模型，利用有限元分析軟件ANSYS模擬其特定工況，得到了18650鋰電池單體發(fā)熱狀態(tài)下的溫度場。

18650鋰電池；ANSYS；穩(wěn)態(tài)熱分析；溫度場

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-18-02

引言

鋰離子電池因其大容量、高電壓、良好的安全性能及循環(huán)性能等優(yōu)越性能廣泛應(yīng)用于電動汽車行業(yè)[1]，但其在使用過程中過度放熱會引起電池內(nèi)部溫度異常升高，縮短電池的使用壽命，因此需要對電池溫度場分析研究[2]。本文利用ANSYS軟件，建立18650鋰離子電池單體模型，進(jìn)行熱分析研究，對18650鋰離子電池在使用過程中的溫度場分布進(jìn)行模擬,得到熱分析結(jié)果。在實際工程中，該分析結(jié)果為鋰離子電池溫度場的分布測定和優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

1、仿真計算理論依據(jù)

電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機(jī)理相對復(fù)雜，且有軟件運算能力有所限制，因此對18650鋰離子電池進(jìn)行以下簡化假設(shè)：電池內(nèi)部電解液流動性較差，忽略內(nèi)部對流換熱；電池內(nèi)部輻射對散熱影響較小，忽略不計；熱量在電池內(nèi)部均勻產(chǎn)生。

根據(jù)假設(shè)，建立電池穩(wěn)態(tài)傳熱、內(nèi)部生成熱數(shù)學(xué)模型[3]：

式（1）中，q′′為熱流密度，k為導(dǎo)熱系數(shù)；式（2）中，Q為電池內(nèi)部單位體積生熱率，V為電池的總體積，Uoc為電池的開路電壓，U為電池的工作電壓，t為電池溫度；電池電壓隨溫度變化的溫度系數(shù)，一般取值-0.5×10-3V/K。

2、仿真分析

2.1 有限元模型

18650鋰離子電池單體為螺旋結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行熱分析時由于生熱主要為正負(fù)極，其它部分為次要因素。因此分析時對模型進(jìn)行簡化。簡化后的18650鋰離子電池單體模型如圖1所示。

圖1 簡化18650鋰離子電池單體模型

2.2 材料參數(shù)

選擇磷酸鐵鋰電池作為分析對象，根據(jù)電池單體分配材料屬性，設(shè)置電池各個材料的比熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)。材料參數(shù)[4]如表1所示。

表1 材料參數(shù)

2.3 載荷與約束

在熱分析中，基本傳熱方式有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種[5]。對于18650鋰離子電池單體，熱對流及熱輻射影響較小，主要考慮熱傳導(dǎo)的傳熱方式其載荷方式為內(nèi)部熱生成率，內(nèi)部熱生成率根據(jù)式（2）計算所得如下表2。

表2

對電池模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱及瞬態(tài)熱分析，施加溫度載荷、對流載荷及熱生成載荷。一般空氣自然對流系數(shù)5～25W/(m2×K)，考慮18650鋰離子電池在電池包中所處環(huán)境為中一般對流[5]，故對流換熱系數(shù)大致選定為10，施加對象為模型外殼表面，環(huán)境溫度為22℃。

2.4 網(wǎng)格劃分

由于18650鋰離子電池單體的幾何形狀相對不規(guī)則，在考慮精度的情況下，可采用四面體網(wǎng)格劃分的方法來劃分網(wǎng)格[6]，對幾何形狀不規(guī)則的結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，只要劃分足夠細(xì)密的單元，可以獲得具有足夠精度的解。綜上，經(jīng)多次劃分后確定電池的網(wǎng)格大小為，共劃分結(jié)點98228個，網(wǎng)格單元15483個，該尺寸網(wǎng)格可以保證其結(jié)果的收斂性[7]。18650鋰離子電池網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 18650鋰離子電池單體網(wǎng)格劃分

3、計算結(jié)果及分析

根據(jù)建立的鋰離子電池單體溫度場有限元模型，用ANSYS進(jìn)行了熱仿真分析[8]，得到了鋰離子電池單體溫度場在熱傳導(dǎo)為主要傳熱方式下的溫度場分布如圖3所示。

圖3 18650鋰離子電池單體溫度場

4、結(jié)語

本文從理論與仿真分析完成了18650鋰電池單體的熱分析，從圖3可知，18650鋰離子電池單體最高溫度為 42.08°C，最低溫度為 41.69°C。在實際工程中，該分析結(jié)果為鋰離子電池溫度場的分布測定和優(yōu)化設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。

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18650 lithium ion battery based on ANSYS Steady state thermal analysis

Yu Xiaoqing, Chen Guoxi, Zou Jialin, Chen Dongyun, Wang Xuanyi
( Institute of advanced manufacturing engineering of chongqing university of posts and telecommunications, Chongqing 400065 )

Lithium-ion batteries superior performance is widely used in electric cars, but in use process will be a large number of fever, pose a safety hazard. For 18650 lithium battery monomer three-dimensional model is established, using the finite element analysis software ANSYS to simulate its specific operating mode, 18650 lithium-ion battery monomer the temperature field of hot condition.

18650 lithium batteries; ANSYS; The steady state thermal analysis; The temperature field

U469.7

：A

：：1671-7988 (2017)07-18-02

余小清（1996-），女，就讀于重慶郵電大學(xué)，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.008