锂离子单体电池热特性仿真分析

殷鹏翔

晋中职业技术学院车辆工程学院，山西晋中 030600

0 引言

20世纪末期，内燃机车辆的发展已趋于饱和，由于传统燃油的持续使用，造成了环境污染与资源问题。所以，在新能源汽车发展的同时，电动车也成为人们关注的焦点。由于其具有低排放及优良的性能等诸多优势[1]，因此在新能源汽车中占有一席之地。随着电动车的快速发展，电池作为汽车的动力系统，对其性能要求也越来越高，本文选取了一种电动汽车常用的锂离子电池组作为研究对象，并针对单体锂电池的热特性进行了分析和研究，以满足当今社会的需求。

1 单体18650型锂电池的物理建模

锂电池在工作时，其内部会以一个速率来发热，并且内部产生的热量会透过热传导进入到电池的表层，再以自然对流或其他方式散发出去。由于锂电池的内部结构比较复杂，所以本文采用了一种新的计算方式，即将其与其他材料的热进行了计算比较。因此，这个模型就是一个由一个热源和一个外壳构成的简易模型。

单体18650型锂电池是一种由正负极、电解质、密封圈组成的小型锂电池。为了便于分析和简化计算机的运算，在建立模型时，将单体作为一个简单的单元，只包含一个外壳和一个内部的热源;为了简化计算，假设电池中的热源介质是均一的且生热速率是恒定的。

2 锂电池生热速率的计算及数学模型

由于锂离子电池的结构比较复杂，本文在此基础上进行了以下的假定：

(1)所述单元中的介质是均一的，并且所述材料的密度、比热容和热传导率在所述单元中保持不变;

(2)工作期间，电池的电流呈均匀性;

(3)所述电池材料的热容和热传导率是不变的，且不会随着温度的改变而发生改变[2]。

在计算电池工作时的生热速率时，选取了由伯纳迪研究小组所研究的模型，其模型的计算公式为：

(1)

基于以上的假定，可以得出锂离子电池数学模型为：

(2)

除生热速率外，比热容的幅值也极大地影响到单元内的温度分布，比热容的计算公式为：

(3)

式中:m为的电池质量，kg；ci为某种物质的比热容量，J/(kg·K)；mi为物质材料的质量，kg。

3 软件分析过程

在 Fluent软件中，主要的工作过程有3个运算部分：预处理、解析器、后处理。

(1)预处理。对研究对象进行模型化处理，尤其是需要进行最大程度有效的简化，并将模型以网格的形式进行划分，可用的软件工具有 GAMBIT、 TGrid、 prePDF、 GeoMesh等。GAMBIT是Fluent公司开发的一个预处理软件，该软件可以直接为Fluent生成网格模型，具有强大的复合建模功能;TGrid的功能是在已有的边界栅格内产生实体栅格，其工作原理是 GAMBIT将所产生的栅格引入 TGrid，然后 TGrid再对其进行网格分割;prePDF和 GeoMesh都是预处理软件，它们是 GAMBIT的前身，但 prePDF只需要用于燃烧问题， GAMBIT就会逐渐取代 GeoMesh。另外， Fluent通过提供多软件接口比如CAD/CAE及 GAMBIT等软件进行有效接口，进一步提高了Fluent软件的建模功能[4]。

(2)求解器。它是所有流体问题的核心。当前Fluent功能的更新是一个持续变化的过程，比如在预处理中加入更高效的可计算的实体建模；确定材料性质、界定边界、进行步运算及后处理。

(3)后处理。主要作用是在完成了对流体的计算后，根据观察的要求对数据资料进行加工处理。Fluent本身具备强大的后处理功能，能够直观地以图像进行显示及输出有效核心数据，重要的计算报告等功能。此外，还可以使用特殊的后处理软件 Tecplot，它可以绘制函数图像，输出二维、三维等图像，并能为用户生成各种需要的模式图像[5]。

Fluent在问题的求解中，要对解决实际问题有一个大概的了解，然后才能进行问题的剖析和制定出一个解决方案。具体解决步骤如下：

(1)明确计算目标。清楚使用Fluent可以得到什么结果，如何使用，并确定该模型及计算方法的精度。选择的模式主要有：对模式进行归类、简单化、对计算区域的确定、模型内主要部分计算区域的选取；该模式的拓扑结构可为2D或3D。

(2)物理模型的选取。因为每个模型都有相应的设定，所以在使用Fluent之前，必须考虑到使用的模型能够应用于哪些功能。例如，用模型的分层流、稳态、瞬态、是非能量流。

(3)求解方法的确定：决定问题的算法是否要增加其他的参量，是否要进行优化，是否要进行优化收敛加速时间等。

以上问题得到解决后，就可以利用Fluent进行操作运算了。

Fluent工作流程如图1所示。

图1 Fluent工作流程

4 锂离子电池单体温度场仿真

物理模型建立之后，通过 Gambit进行网格划分，选取适合于模型的四面体网格，其划分后的网格模型如图2所示。

图2 网格模型

在模型网格划分完毕后，必须设定一个边界条件，即内部热源材料为固态，而其边界则为壁内边界；将电池的边缘条件设定为 WALL，后导入 MSH文件，为Fluent模拟做好准备。

本文在建立模型时采用了毫米，因此在加入了Fluent以后，就不会再对该模型进行单元单位变换了。在导入 MSH后，会对其进行检验，如果不存在负值，则继续进行下一步的工作。

检测完毕后，开启能量方程，设定电池内的物质参数，并进行运算；选择的电池比热容为1 008 J/kg·K，热传导率为2.7 W/(m·K)，选择的是自然通风，换热系数为5 W/(m·K2)。在模拟单体锂离子电池热特性时，选取了在不同的放电倍数下，对锂离子电池的温度分布进行了比较。在此期间，电池会产生很多热量。但如果锂离子电池的温度高于40 ℃，则有一定的安全风险。所以可以选取该参数进行比较分析。

经过1 C的放电后，电池外壳表面的最高温度为307.9 K，最低的温度为306.7 K，内热源最高温度为308.3 K，存在的温差为1.6 K。1C放电结果如图3所示。

图3 1C放电结果

经过2C的放电后，电池外壳表面的最高温度为313.1 K，最低的温度为311.8 K，内热源最高温度为313.6 K，温差为1.8 K。2C放电结果如图4所示。

图4 2C放电结果

在3C放电之后，电池外壳表面的最高温度为318.2 K，最低的温度为315.4 K，内热源最高温度为318.9 K，温差为3.5 K。3C放电结果如图5所示。

图5 3C放电结果

在4C放电之后，电池外壳表面的最高温度为325.4 K，最低的温度为321.3 K，内热源最高温度为326.4 K，温差为5.1 K。4C放电结果如图6所示。

图6 4C放电结果

在5C放电之后，电池外壳表面的最高温度为336.2 K，最低的温度为331.7 K，而内热源的最高温度为337.7 K，温差为6 K。5C放电结果如图7所示。

图7 5C放电结果

对不同放电倍率下电池的最高温度和最低温度进行了分析，得到了电池温度变化曲线如图8所示。由图可以看出，在不一样的电流放电条件下，电池的稳态温度也是不同的。随着放电倍率的增加，其内部的热量也随之增加，最后达到了较高的温度。由图还可以看出，锂离子的最佳工作温度应在298～313 K，可见单体的释放速率为2C时，就已经接近了电池的工作极限或是工作的临界值，必须对其进行冷却，使其恢复到最稳定正常状态。

图8 不同放电倍率下电池温度变化曲线

5 结束语

为了能够科学快速地分析单体电池的最佳工作状态，本文通过仿真分析在不同工作温度及放电倍率下的电池热稳态情况，探讨了其散热性能，从分析结果上可知，锂离子电池最佳工作温度为298～313 K，并且单体放电倍率为2C时，就达到了电池温度的工作极限范围，需要进行快速散热处理。仿真结论也为今后纯电动汽车电池组热管理系统的开发提供了相应的依据。