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        鋰電池?zé)嵝?yīng)仿真研究

        2022-07-01 09:06:42吳家福陸歸引王合關(guān)王世文盧平
        汽車零部件 2022年6期
        關(guān)鍵詞:環(huán)境

        吳家福,陸歸引,王合關(guān),王世文,盧平

        貴陽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,貴州貴陽 550005

        0 引言

        鋰離子電池具有體積小、比能量大、電壓高、使用壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn),電池在充放電過程中會有一定的溫度極限,放電過程受焦耳熱、反應(yīng)熱、極化熱等影響,會有大量的熱量產(chǎn)生,使電池溫度增加,影響電池壽命和循環(huán)效率,嚴(yán)重時還會引發(fā)爆炸。鋰離子電池組在生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用,電池?zé)岚踩珕栴}日益突出,國內(nèi)外學(xué)者對鋰電池的熱問題展開了研究。張留銘等以圓柱鋰離子電池為研究對象,建立了不同的電池?zé)崃W(xué)模型進(jìn)行分析和計(jì)算。結(jié)果表明:電池組的高度、直徑適當(dāng)增大,電池升高的溫度較為緩慢,產(chǎn)生的熱量較少。劉萌等利用Fluent軟件研究了鋰離子電池在不同放電倍率下的熱效應(yīng)。結(jié)果顯示:放電倍率越高電池的升溫速率越快,隨之溫度也越高。陳樹成利用多物理場仿真軟件,對鋰離子電池相關(guān)工況進(jìn)行熱仿真,通過對鋰離子電池組熱行為相關(guān)偏微分方程的分析,利用近似函數(shù)代替解析求解的方法,提出鋰離子電池組快速溫度估計(jì)方法,在保證精度的前提下,降低電池組熱仿真對仿真環(huán)境和仿真時間的要求,為熱仿真在電池管理系統(tǒng)中的在線應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。葉丹宏等利用COMSOL軟件以輻射—對流—傳導(dǎo)物理場為依據(jù)對結(jié)構(gòu)件表面的溫度變化進(jìn)行了三重耦合式模擬,以環(huán)氧玻璃布板為蒙板組裝熱電池結(jié)構(gòu)件進(jìn)行實(shí)際溫度測量,并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比。賈驥業(yè)等基于外接UDF的Fluent探究不同因素對電池組往復(fù)流風(fēng)冷散熱的影響規(guī)律。結(jié)果表明:往復(fù)流周期對電池組溫度分布均勻性的影響最大,入口風(fēng)速對電池組最高溫度影響最大,而冷卻空氣溫度影響則相對較小。劉巧云等研究了26650型圓柱形磷酸鐵鋰離子電池放電倍率對電池?zé)嵝袨榈挠绊?。結(jié)果表明:低倍率下電池處于吸熱狀態(tài),電池內(nèi)部溫度反而低于外部;高倍率下電池一直是放熱狀態(tài),內(nèi)部溫度一直高于外部。田剛領(lǐng)等針對鋰離子電池組進(jìn)行熱仿真分析,分析其結(jié)構(gòu)的合理性,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。Kantharaj等的試驗(yàn)工作集中在特性和性能表征上,以及開發(fā)用于改善性能的新電池化學(xué)方法和用于改善熱管理的新設(shè)計(jì)。Wang等重點(diǎn)研究了充電狀態(tài)(SOC)和入射的外部熱通量這兩個關(guān)鍵因素對電池著火特性的影響,獲得燃燒行為、點(diǎn)火時間、放熱率和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估。YOO等根據(jù)提出的鋰離子單電池模型進(jìn)行了熱分析,仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。最后對包含280個圓柱形電池的全尺寸電池托盤進(jìn)行了熱分析,并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,證實(shí)了所提出模型的適用性。

        本文以錳酸鋰電池為仿真研究對象,基于COMSOL仿真試驗(yàn)平臺建立由8個完全相同的21700型鋰離子電池組成的電池組三維模型,通過改變環(huán)境溫度和空氣層流流速等因素研究其從100%荷電狀態(tài)(SOC)以4C倍率持續(xù)放電12 min后電池的熱效應(yīng)。

        1 試驗(yàn)基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)

        1.1 電池模型

        以規(guī)格為21700型鋰電池作為研究對象,其標(biāo)稱電壓為3.6 V,標(biāo)稱容量為4 Ah,基于錳酸鋰電池的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行定義,具體參數(shù)見表1。基于COMSOL軟件使用“集總電池”接口基于阿累尼烏斯表達(dá)式對每個圓柱電池進(jìn)行建模,其中采用與溫度相關(guān)的電阻、交換電流和擴(kuò)散時間常數(shù)等參數(shù)。

        表1 電池參數(shù)

        通過COMSOL構(gòu)建電池模型,電池之間由連接器連接,縱放于理想箱體中,電池與電池之間緊密接觸,電池外壁距理想箱體最小距離為1 mm,最大距離為11.5 mm。而理想箱體的上下層是在電池組的最高點(diǎn)和最低點(diǎn),即理想箱體與并行連接器接觸,距電池上表面有2.5 mm。電池模型由連接器、空間間隙、電池組3個部分構(gòu)成,其連接器和空間間隙的材料分別是導(dǎo)電鋁合金和空氣。

        在封閉環(huán)境試驗(yàn)中,箱體的底面起支撐作用,其余5個面都能正常與外界空氣進(jìn)行熱交換;而在有層流的試驗(yàn)中,箱體的面是層流的入口,其對面為層流的出口,其他3個面能正常與外界空氣進(jìn)行熱交換。電池組模型如圖1所示。

        圖1 電池組模型

        1.2 電化學(xué)物理場方程

        在封閉情況下進(jìn)行仿真研究,加載物理場有流體傳熱和集總電池;而在仿真研究有通風(fēng)情況試驗(yàn)環(huán)境時,加載物理層有流體傳熱、集總電池和層流,流體傳熱遵循微偏方程式為:

        (1)

        式中:為電池密度;為電池平均比熱容;為電池的工作溫度;為電池的充放電時間;為電池內(nèi)的生熱率。

        在層流中,必須設(shè)置流體進(jìn)口和流體出口,層流微偏方程式為:

        (2)

        式中:為入口速度;為電池導(dǎo)熱系數(shù);為電流;為側(cè)面壓力。

        在設(shè)定封閉仿真試驗(yàn)環(huán)節(jié)時,其理想箱體外面是與外界的空氣有熱交換的,對流熱通量遵循式(3):

        =·(-)

        (3)

        式中:為換熱系數(shù);為初始溫度;為參考溫度。

        集總電池和流體傳熱兩物理場的耦合,耦合產(chǎn)生電化學(xué)熱,每個電池都會產(chǎn)生熱量,物理場耦合產(chǎn)生的電化學(xué)熱微偏方程組如下:

        (4)

        (5)

        (6)

        (7)

        電化學(xué)熱耦合場通過收集電池放電過程電勢電位變化、電池溫度變化,最后通過探針圖成像,組建一維到三維繪圖組。

        1.3 試驗(yàn)方案

        為探究多種使用情況,設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)方案見表2。其中封閉環(huán)境下4組(層流流速為0表示封閉環(huán)境下);

        表2 設(shè)計(jì)仿真試驗(yàn)方案

        另3組為封閉環(huán)境下相同初始溫度比較;最后3組為相同層流不同初始溫度比較。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 封閉環(huán)境下不同初始溫度試驗(yàn)分析

        4組試驗(yàn)的初始溫度分別為-5、15、25和40 ℃,圖2為封閉環(huán)境下不同初始溫度電池表面溫度分布。

        圖2 封閉環(huán)境下不同初始溫度電池表面溫度分布

        由圖2可以看出,電池組溫度分布呈一定相似性和對稱性,每組試驗(yàn)高溫區(qū)域集中在電池組的中間偏下部分,而電池組四周邊緣的區(qū)域溫度最低。通過圖3可以看出,其最高溫集中在底部。

        圖3 電池組底部

        無層流不同初始溫度試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表可以看出,隨著環(huán)境溫度的不斷升高,其電池組最高溫度也不斷增高,而電池組表面溫差隨著環(huán)境溫度的升高而降低。

        表3 無層流不同初始溫度試驗(yàn)結(jié)果 單位:℃

        2.2 層流流速恒定不同環(huán)境溫度試驗(yàn)分析

        仿真試驗(yàn)對比電池組在相同層流流速2.0 m/s的環(huán)境下,不同初始環(huán)境溫度對電池組的熱效應(yīng)。初始溫度分別為-5、10、25和40 ℃。圖4為相同層流不同初始溫度電池表面溫度分布。通過觀察可知,電池組的溫度分布規(guī)律呈一定相似性和對稱性,從層流入口處往層流出口處走,電池的溫度循序漸進(jìn)地增加,即越靠近層流入口處的電池溫度越低,越靠近層流出口處的電池溫度越高。

        圖4 相同層流不同初始溫度電池表面溫度分布

        相同層流不同初始溫度試驗(yàn)結(jié)果見表4。

        表4 相同層流不同初始溫度試驗(yàn)結(jié)果

        通過表中數(shù)據(jù)可得出結(jié)論:在通風(fēng)的情況下,電池的冷卻效果得到大大提升;在層流恒定不變時,隨著環(huán)境溫度的增大,其電池組最高溫度也隨之遞增;電池組表面溫差隨著環(huán)境溫度的升高而降低,相對于封閉環(huán)境下,其升高值小了很多。

        2.3 環(huán)境溫度恒定不同層流試驗(yàn)分析

        仿真試驗(yàn)對比電池組在相同初始溫度為25 ℃,對比不同層流流速大小對電池組的熱效應(yīng)。層流流速分別為0、1.0、2.0、3.2 m/s,其中無層流組已在第一對比組呈現(xiàn)。層流流速分別為1.0、2.0和3.2 m/s的相同初始環(huán)境的電池溫度分布如圖5所示。

        圖5 相同初始環(huán)境溫度不同層流電池溫度分布

        由圖5可以看出,電池溫度分布規(guī)律為從入口處到出口處逐漸升高。隨著風(fēng)速的增大,對比3組試驗(yàn)溫度分布,其左邊深色占比逐漸增加,右邊深色占比逐漸減少。隨著風(fēng)速增大,其表面最低溫度有所降低,但大多低溫區(qū)集中在入口處的兩顆電池上,且隨著風(fēng)量的加大,其電池組的最高溫度反而增大了0.1 ℃。相同初始溫度不同層流試驗(yàn)結(jié)果見表5。

        表5 相同初始溫度不同層流試驗(yàn)結(jié)果

        總結(jié)以上數(shù)據(jù)可知,在相同環(huán)境溫度中,隨著加入層流流速逐漸增大,電池表面的最低溫度逐漸減小,最高溫度卻略有增大;隨著層流流速的增大,電池表面的溫差也逐漸增大。

        3 結(jié)論

        鋰電池在使用過程中溫度會發(fā)生變化,溫度變化受各種條件影響,通過模擬仿真試驗(yàn)分析,可得到以下結(jié)論:

        (1)無論在通風(fēng)或者封閉的環(huán)境下,環(huán)境溫度對電池的熱效應(yīng)成正比,即環(huán)境溫度越高,電池放電后溫度也越高,反之亦然。尤其是在封閉環(huán)境中,環(huán)境溫度對電池溫度的影響顯著。

        (2)在封閉環(huán)境中或空氣流速不變的情況下,電池組表面溫度溫差隨環(huán)境溫度的升高而降低。

        (3)在環(huán)境溫度不變時,加入層流通風(fēng),電池放電后的溫度明顯降低,冷卻效果大大提升,此時增大空氣流速,電池的冷卻效果反而有所降低,可能的原因是空氣入口和流動的空間不理想導(dǎo)致產(chǎn)生回流,此時,適當(dāng)減小風(fēng)量反而能達(dá)到較好的冷卻效果。

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