鋰電池?zé)嵝?yīng)仿真研究

吳家福，陸歸引，王合關(guān)，王世文，盧平

貴陽學(xué)院機械工程學(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，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)模型進行分析和計算。結(jié)果表明:電池組的高度、直徑適當增大,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)件進行實際溫度測量，并與仿真結(jié)果進行了對比。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)嵝袨榈挠绊憽＝Y(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行熱仿真分析，分析其結(jié)構(gòu)的合理性，并通過試驗驗證其準確性。Kantharaj等的試驗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。Wang等重點研究了充電狀態(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、點火時間、放熱率和火災(zāi)風(fēng)險評估。YOO等根據(jù)提出的鋰離子單電池模型進行了熱分析，仿真結(jié)果與試驗數(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行了熱分析，并將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，證實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 試驗基礎(chǔ)與設(shè)計

1.1 電池模型

以規(guī)格為21700型鋰電池作為研究對象，其標稱電壓為3.6 V，標稱容量為4 Ah，基于錳酸鋰電池的各項參數(shù)進行定義，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式對每個圓柱電池進行建模，其中采用與溫度相關(guān)的電阻、交換電流和擴散時間常數(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和最低點，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行熱交換;而在有層流的試驗中，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 試驗方案

為探究多種使用情況，設(shè)計仿真試驗方案見表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)計仿真試驗方案

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 試驗結(jié)果與討論

2.1 封閉環(huán)境下不同初始溫度試驗分析

4組試驗的初始溫度分別為-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結(jié)果 單位:℃

2.2 層流流速恒定不同環(huán)境溫度試驗分析

仿真試驗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結(jié)果見表4。

表4 相同層流不同初始溫度試驗結(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分析

仿真試驗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結(jié)果見表5。

表5 相同初始溫度不同層流試驗結(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，適當減小風(fēng)量反而能達到較好的冷卻效果。