歐陽(yáng)葉郁，郭韻，邱李培

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

隨著高新企業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們的生活水平得到了顯著提升，而對(duì)能源的需求量也越來(lái)越大。為了減少對(duì)不可再生資源的依賴，開(kāi)發(fā)新型的能源結(jié)構(gòu)迫在眉睫。在這樣的新形勢(shì)下，高效的能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)換裝置顯得尤為重要，用以實(shí)現(xiàn)集中化、智能化及高效化的管理及應(yīng)用。智慧儲(chǔ)能的概念應(yīng)運(yùn)而生。儲(chǔ)能作為一個(gè)配電設(shè)備、發(fā)電設(shè)備、傳輸設(shè)備以及用戶終端，其在電網(wǎng)的作用，極大地改善了電網(wǎng)對(duì)大量能源的適應(yīng)性。

目前，在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位的儲(chǔ)能技術(shù)大致分為4類：(1)抽水儲(chǔ)能；(2)儲(chǔ)熱；(3)電化學(xué)儲(chǔ)能；(4)機(jī)械儲(chǔ)能[1]。鋰離子電池作為一款集比能量高、能量密度高、自放電率小、輸出功率大等諸多優(yōu)良特性的電池，在動(dòng)力電池及儲(chǔ)能電池領(lǐng)域擁有極大的市場(chǎng)。可是鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用中還可能出現(xiàn)熱失控的問(wèn)題。原因在于，鋰離子電池在充放電過(guò)程中，電池內(nèi)阻發(fā)熱、電極極化發(fā)熱及化學(xué)反應(yīng)放熱等會(huì)使電池溫度迅速升高，電池溫度升高會(huì)進(jìn)一步促使反應(yīng)的加劇，從而形成產(chǎn)熱與溫升的正反饋[2]。當(dāng)溫度超過(guò)一定限制時(shí)，電池可能會(huì)出現(xiàn)膨脹、泄露、乃至爆炸等不安全因素[3-5]。不僅如此，在充電過(guò)程中負(fù)極側(cè)極易產(chǎn)生鋰枝晶而易縮短電池壽命。因此，對(duì)電池的產(chǎn)熱行為深入研究對(duì)電池的安全保障及延長(zhǎng)電池壽命有著極大的幫助。

目前已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)并使用的獨(dú)立式光伏系統(tǒng)中一般采用蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，但蓄電池的使用壽命一般僅在6～7年[6-7]，所以目前采用鋰電池構(gòu)建儲(chǔ)能裝置已成為目前研究的一大重點(diǎn)。本文采用儲(chǔ)能電池常用的磷酸鐵鋰電池(LiFePO4)作為研究目標(biāo)，計(jì)算出仿真過(guò)程中所需的熱物理參數(shù)，使用ICEM CFD繪制電池模型并畫(huà)出結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，轉(zhuǎn)而使用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，研究單體電池在1C恒流放電時(shí)溫度分布情況，最后與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 電池模型及其工作原理

鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由正負(fù)極、正負(fù)極極柱、隔膜、絕緣環(huán)和殼體組成。具體的圓柱型鋰離子電池的縱向切面展開(kāi)圖如圖1所示。

圖1 鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖

鋰離子電池本質(zhì)上是一種濃度差電池，以碳素材料（一般多為石墨）為負(fù)極，含鋰的化合物為正極，其中不存在金屬鋰，只有鋰離子，鋰離子通過(guò)電解質(zhì)進(jìn)入電池負(fù)極，嵌入負(fù)極碳層的微孔中[8]。而在電池的使用過(guò)程中（相當(dāng)于放電），嵌入微孔中的鋰離子又運(yùn)動(dòng)回到正極。這樣，在電池充放電過(guò)程中，鋰離子在正負(fù)極之間不斷的來(lái)回奔跑，故稱其為“搖椅電池”。具體工作原理如圖2所示。

圖2 鋰離子電池充放電過(guò)程原理圖

根據(jù)Bernardi均勻產(chǎn)熱理論，由于鋰電池的層狀結(jié)構(gòu)，可以認(rèn)為電池內(nèi)部各處產(chǎn)熱均勻，整個(gè)電池可以認(rèn)為是一個(gè)各向異性的整體，忽略電池內(nèi)濃溶液的流動(dòng)以及電池內(nèi)部微弱的熱輻射過(guò)程，可以認(rèn)為鋰電池的傳熱過(guò)程是一個(gè)發(fā)生在均一各向異性材料中的固體熱傳導(dǎo)過(guò)程[9-11]。下一章對(duì)電池?zé)嵛锢韰?shù)計(jì)算建立模型，研究電池的產(chǎn)熱行為。

2 測(cè)溫平臺(tái)

本文采用26650型磷酸鐵鋰電池，標(biāo)稱電壓3.6V，標(biāo)稱容量2200mAh，電池質(zhì)量為39g。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為27°C，在電池中部及兩端布置熱電偶，將導(dǎo)線焊于電池兩端，最后將連接好的電池置于固定容器中，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。其他使用設(shè)備還包括電池測(cè)溫儀一臺(tái)，測(cè)試用電腦一部。

圖3 測(cè)溫平臺(tái)

3 熱物理參數(shù)的確立

圓柱型鋰離子電池的產(chǎn)熱模型中涉及到的熱物理參數(shù)包括比熱容C，發(fā)熱功率Ph，質(zhì)量M，反應(yīng)總時(shí)長(zhǎng)T與電池密度ρ。

根據(jù)比熱容的物理定義，我們得到式(1)：

其中to和t分別為電池在1C放電的起始溫度和最高溫度，Qh為電池放熱過(guò)程中的總產(chǎn)熱量，由于1C放電后電芯的剩余電量SOC在電池行業(yè)內(nèi)可忽略不計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出電池的總發(fā)熱量為2378.44J，電池起始溫度27°C，最高溫度42.9°C，放電前后最大溫差為15.9°C，放電過(guò)程持續(xù)2834s，算得C=3.84 J/(g·K)。

計(jì)算發(fā)熱功率的表達(dá)式(2)為：

算得P=0.84W。

對(duì)于單體電池自身的吸熱量，由于電池材料以及結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，視為各向異性，導(dǎo)熱反應(yīng)過(guò)程非常復(fù)雜[8]，因此我們考慮在直角坐標(biāo)系中沿坐標(biāo)軸x、y、z的熱流密度可分別由式(3) (4) (5)表示：

解得導(dǎo)熱系數(shù)為1.37W/(m·k)。

對(duì)流換熱系數(shù)方程由式(6)表示：

算出對(duì)流換熱系數(shù)為12W/(m2·k)。

4 建立三維熱物理模型

基于電池自身的物理參數(shù)與計(jì)算得出得熱物理參數(shù)，歸納出該儲(chǔ)能電池建模所需的熱物理參數(shù)，如表1所示。

表1 儲(chǔ)能電池的熱物理參數(shù)

基于以上數(shù)據(jù)在ICEM CFD中以1:1的比例繪制三維電池模型圖并繪制網(wǎng)格，對(duì)于單體電池的網(wǎng)格劃分，考慮電池殼體為四邊形，電池內(nèi)部為四面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)其劃分。這種劃分方式更容易實(shí)現(xiàn)局部曲面的擬合，與實(shí)際模型更接近。網(wǎng)格繪制如圖4所示。

圖4 單體儲(chǔ)能電池CFD 網(wǎng)格模型

經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，確定最佳網(wǎng)格數(shù)為144120，檢查網(wǎng)格質(zhì)量(Quality)，長(zhǎng)寬比(Aspect ratio)均接近于1，角度(Angle)均大于18，網(wǎng)格總體質(zhì)量較好，可用于Fluent仿真。

5 仿真分析

基于建立好的鋰離子電池仿真模型和計(jì)算得出的熱物性參數(shù)，運(yùn)用ANSYS Fluent軟件對(duì)電池進(jìn)行仿真。在模型中選取對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)試點(diǎn)與實(shí)測(cè)保持一致，設(shè)置邊界條件為對(duì)流邊界加在電池的上下兩端面，初始溫度設(shè)定為300K，與實(shí)測(cè)電池環(huán)境溫度保持一致。

鋰離子電池在1C放電倍率下的溫度分布云圖及切平面溫度分布如圖5、6所示。

圖5 溫度分布云圖

圖6 溫度分布切平面圖

在電池放電2834s后，電池整體溫度分布呈現(xiàn)中間高兩端低且逐級(jí)遞減的趨勢(shì)，溫度最高點(diǎn)為電池中部42.49°C，溫度最低點(diǎn)為電池兩端，約40°C左右，其中電池在仿真過(guò)程中1C放電時(shí)電池表面最高溫度隨時(shí)間的變化與實(shí)測(cè)相比，最大誤差為0.77°C，平均誤差為0.44°C（詳見(jiàn)圖7），誤差均不超過(guò)1°C，由此也證明了該儲(chǔ)能型電池產(chǎn)熱研究的準(zhǔn)確性。

圖7 電池仿真溫度與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

6 結(jié)論

儲(chǔ)能型鋰離子電池的產(chǎn)熱行為研究對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中鋰離子電池可能出現(xiàn)的熱失控方面提供了理論依據(jù)，對(duì)增強(qiáng)電池安全性能方面具有正面的研究意義。本文基于對(duì)單體鋰離子電池?zé)嵛锢韰?shù)計(jì)算得出的數(shù)據(jù)，與實(shí)驗(yàn)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)相擬合，建立電池三維熱模型，并使用ICEM CFD，ANSYS Fluent等軟件進(jìn)行仿真處理。通過(guò)該研究得出以下結(jié)論：

單體電池在不受外界條件干擾的前提下，在對(duì)其1C恒流放電的過(guò)程中趨于穩(wěn)定，并運(yùn)用物理公式推算出比熱容，發(fā)熱功率等熱物理參數(shù)，為儲(chǔ)能型電池的熱研究提供理論依據(jù)。

基于ICEM CFD繪制質(zhì)量較好的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，結(jié)合ANSYS Fluent軟件進(jìn)行仿真，模擬出電池在1C放電倍率下的溫度分布情況，并與實(shí)測(cè)電池升溫作對(duì)比，得出最高溫度誤差為0.77°C，平均誤差為0.44°C，反映了熱仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)儲(chǔ)能型電池的熱管理研究打下理論基礎(chǔ)。