鋰離子單體電池熱特性仿真分析

殷鵬翔

晉中職業技術學院車輛工程學院，山西晉中 030600

0 引言

20世紀末期，內燃機車輛的發展已趨于飽和，由于傳統燃油的持續使用，造成了環境污染與資源問題。所以，在新能源汽車發展的同時，電動車也成為人們關注的焦點。由于其具有低排放及優良的性能等諸多優勢[1]，因此在新能源汽車中占有一席之地。隨著電動車的快速發展，電池作為汽車的動力系統，對其性能要求也越來越高，本文選取了一種電動汽車常用的鋰離子電池組作為研究對象，并針對單體鋰電池的熱特性進行了分析和研究，以滿足當今社會的需求。

1 單體18650型鋰電池的物理建模

鋰電池在工作時，其內部會以一個速率來發熱，并且內部產生的熱量會透過熱傳導進入到電池的表層，再以自然對流或其他方式散發出去。由于鋰電池的內部結構比較復雜，所以本文采用了一種新的計算方式，即將其與其他材料的熱進行了計算比較。因此，這個模型就是一個由一個熱源和一個外殼構成的簡易模型。

單體18650型鋰電池是一種由正負極、電解質、密封圈組成的小型鋰電池。為了便于分析和簡化計算機的運算，在建立模型時，將單體作為一個簡單的單元，只包含一個外殼和一個內部的熱源;為了簡化計算，假設電池中的熱源介質是均一的且生熱速率是恒定的。

2 鋰電池生熱速率的計算及數學模型

由于鋰離子電池的結構比較復雜，本文在此基礎上進行了以下的假定：

(1)所述單元中的介質是均一的，并且所述材料的密度、比熱容和熱傳導率在所述單元中保持不變;

(2)工作期間，電池的電流呈均勻性;

(3)所述電池材料的熱容和熱傳導率是不變的，且不會隨著溫度的改變而發生改變[2]。

在計算電池工作時的生熱速率時，選取了由伯納迪研究小組所研究的模型，其模型的計算公式為：

(1)

基于以上的假定，可以得出鋰離子電池數學模型為：

(2)

除生熱速率外，比熱容的幅值也極大地影響到單元內的溫度分布，比熱容的計算公式為：

(3)

式中:m為的電池質量，kg；ci為某種物質的比熱容量，J/(kg·K)；mi為物質材料的質量，kg。

3 軟件分析過程

在 Fluent軟件中，主要的工作過程有3個運算部分：預處理、解析器、后處理。

(1)預處理。對研究對象進行模型化處理，尤其是需要進行最大程度有效的簡化，并將模型以網格的形式進行劃分，可用的軟件工具有 GAMBIT、 TGrid、 prePDF、 GeoMesh等。GAMBIT是Fluent公司開發的一個預處理軟件，該軟件可以直接為Fluent生成網格模型，具有強大的復合建模功能;TGrid的功能是在已有的邊界柵格內產生實體柵格，其工作原理是 GAMBIT將所產生的柵格引入 TGrid，然后 TGrid再對其進行網格分割;prePDF和 GeoMesh都是預處理軟件，它們是 GAMBIT的前身，但 prePDF只需要用于燃燒問題， GAMBIT就會逐漸取代 GeoMesh。另外， Fluent通過提供多軟件接口比如CAD/CAE及 GAMBIT等軟件進行有效接口，進一步提高了Fluent軟件的建模功能[4]。

(2)求解器。它是所有流體問題的核心。當前Fluent功能的更新是一個持續變化的過程，比如在預處理中加入更高效的可計算的實體建模；確定材料性質、界定邊界、進行步運算及后處理。

(3)后處理。主要作用是在完成了對流體的計算后，根據觀察的要求對數據資料進行加工處理。Fluent本身具備強大的后處理功能，能夠直觀地以圖像進行顯示及輸出有效核心數據，重要的計算報告等功能。此外，還可以使用特殊的后處理軟件 Tecplot，它可以繪制函數圖像，輸出二維、三維等圖像，并能為用戶生成各種需要的模式圖像[5]。

Fluent在問題的求解中，要對解決實際問題有一個大概的了解，然后才能進行問題的剖析和制定出一個解決方案。具體解決步驟如下：

(1)明確計算目標。清楚使用Fluent可以得到什么結果，如何使用，并確定該模型及計算方法的精度。選擇的模式主要有：對模式進行歸類、簡單化、對計算區域的確定、模型內主要部分計算區域的選??；該模式的拓撲結構可為2D或3D。

(2)物理模型的選取。因為每個模型都有相應的設定，所以在使用Fluent之前，必須考慮到使用的模型能夠應用于哪些功能。例如，用模型的分層流、穩態、瞬態、是非能量流。

(3)求解方法的確定：決定問題的算法是否要增加其他的參量，是否要進行優化，是否要進行優化收斂加速時間等。

以上問題得到解決后，就可以利用Fluent進行操作運算了。

Fluent工作流程如圖1所示。

圖1 Fluent工作流程

4 鋰離子電池單體溫度場仿真

物理模型建立之后，通過 Gambit進行網格劃分，選取適合于模型的四面體網格，其劃分后的網格模型如圖2所示。

圖2 網格模型

在模型網格劃分完畢后，必須設定一個邊界條件，即內部熱源材料為固態，而其邊界則為壁內邊界；將電池的邊緣條件設定為 WALL，后導入 MSH文件，為Fluent模擬做好準備。

本文在建立模型時采用了毫米，因此在加入了Fluent以后，就不會再對該模型進行單元單位變換了。在導入 MSH后，會對其進行檢驗，如果不存在負值，則繼續進行下一步的工作。

檢測完畢后，開啟能量方程，設定電池內的物質參數，并進行運算；選擇的電池比熱容為1 008 J/kg·K，熱傳導率為2.7 W/(m·K)，選擇的是自然通風，換熱系數為5 W/(m·K2)。在模擬單體鋰離子電池熱特性時，選取了在不同的放電倍數下，對鋰離子電池的溫度分布進行了比較。在此期間，電池會產生很多熱量。但如果鋰離子電池的溫度高于40 ℃，則有一定的安全風險。所以可以選取該參數進行比較分析。

經過1 C的放電后，電池外殼表面的最高溫度為307.9 K，最低的溫度為306.7 K，內熱源最高溫度為308.3 K，存在的溫差為1.6 K。1C放電結果如圖3所示。

圖3 1C放電結果

經過2C的放電后，電池外殼表面的最高溫度為313.1 K，最低的溫度為311.8 K，內熱源最高溫度為313.6 K，溫差為1.8 K。2C放電結果如圖4所示。

圖4 2C放電結果

在3C放電之后，電池外殼表面的最高溫度為318.2 K，最低的溫度為315.4 K，內熱源最高溫度為318.9 K，溫差為3.5 K。3C放電結果如圖5所示。

圖5 3C放電結果

在4C放電之后，電池外殼表面的最高溫度為325.4 K，最低的溫度為321.3 K，內熱源最高溫度為326.4 K，溫差為5.1 K。4C放電結果如圖6所示。

圖6 4C放電結果

在5C放電之后，電池外殼表面的最高溫度為336.2 K，最低的溫度為331.7 K，而內熱源的最高溫度為337.7 K，溫差為6 K。5C放電結果如圖7所示。

圖7 5C放電結果

對不同放電倍率下電池的最高溫度和最低溫度進行了分析，得到了電池溫度變化曲線如圖8所示。由圖可以看出，在不一樣的電流放電條件下，電池的穩態溫度也是不同的。隨著放電倍率的增加，其內部的熱量也隨之增加，最后達到了較高的溫度。由圖還可以看出，鋰離子的最佳工作溫度應在298～313 K，可見單體的釋放速率為2C時，就已經接近了電池的工作極限或是工作的臨界值，必須對其進行冷卻，使其恢復到最穩定正常狀態。

圖8 不同放電倍率下電池溫度變化曲線

5 結束語

為了能夠科學快速地分析單體電池的最佳工作狀態，本文通過仿真分析在不同工作溫度及放電倍率下的電池熱穩態情況，探討了其散熱性能，從分析結果上可知，鋰離子電池最佳工作溫度為298～313 K，并且單體放電倍率為2C時，就達到了電池溫度的工作極限范圍，需要進行快速散熱處理。仿真結論也為今后純電動汽車電池組熱管理系統的開發提供了相應的依據。