鋰離子蓄電池溫度場(chǎng)仿真分析

張鳳濤，胡欲立，溫杰，唐凡

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072)

鋰離子蓄電池溫度場(chǎng)仿真分析

張鳳濤，胡欲立，溫杰，唐凡

(西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，陜西西安 710072)

近年來(lái)，鋰離子蓄電池得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。但是，鋰離子蓄電池使用時(shí)的發(fā)熱問(wèn)題不僅會(huì)嚴(yán)重影響鋰離子蓄電池的性能和壽命，而且存在安全隱患。因此提出利用有限元軟件Ansys10.0對(duì)ICR65/400型鋰離子蓄電池在其工作時(shí)溫度場(chǎng)的分布情況進(jìn)行仿真分析，并討論了不同的放電速率和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)鋰離子蓄電池內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的影響。結(jié)果顯示，不同的放電電流和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)電池內(nèi)部溫度的分布有著明顯的影響。

鋰離子蓄電池；放電速率；溫度場(chǎng)；仿真

鋰離子蓄電池近年來(lái)得到了飛速的發(fā)展，并已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海等諸多領(lǐng)域。自上世紀(jì)70年代以來(lái)，很多學(xué)者都致力于鋰離子蓄電池的研究：Long Cai、Ralphd等人通過(guò)正交分解的方法研究了鋰離子蓄電池的電化學(xué)行為[1]；Karthikeyan Kumaresan等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真的方法研究了不同放電速率時(shí)鋰離子蓄電池內(nèi)部溫度變化情況[2]；Venkat Srinivasan和C.Y.Wang分析了鋰離子蓄電池的電化學(xué)行為與熱行為之間的關(guān)系[3]；鋰離子蓄電池放電時(shí)，由于內(nèi)阻發(fā)熱、極化放熱、化學(xué)反應(yīng)熱等產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度快速升高。若鋰離子蓄電池內(nèi)部溫度過(guò)高，在短時(shí)間之內(nèi)不能迅速傳播到外界，會(huì)引起電池內(nèi)部的各種反應(yīng)，包括SEI膜分解反應(yīng)、嵌鋰碳)與電解液的反應(yīng)、嵌鋰碳與粘結(jié)劑的反應(yīng)、電解液分解反應(yīng)，以及正極材料的分解反應(yīng)[4]。這些反應(yīng)的發(fā)生不但減短電池的壽命，而且電池內(nèi)部熱量積聚到一定程度還可能引起爆炸。因此，為了更好地對(duì)鋰離子蓄電池的熱量進(jìn)行管理以及對(duì)鋰離子蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與使用，有必要對(duì)鋰離子蓄電池放電時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，了解電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)的分布以及電池內(nèi)部的最高溫度。本文利用Ansys10.0軟件對(duì)ICR65/400型鋰離子蓄電池放電時(shí)電池內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，并分析了放電速率和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)電池溫度的影響。

1 模型建立

1.1 簡(jiǎn)化假設(shè)

為了建立電池的仿真模型，對(duì)電池的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，作出了以下簡(jiǎn)化假設(shè)：(1)由于電池內(nèi)部電解液的流動(dòng)性很差，因此電池內(nèi)部的對(duì)流換熱可以忽略不計(jì)；(2)電池內(nèi)部輻射對(duì)散熱的影響非常小，因此可以忽略不計(jì)；(3)電池內(nèi)部的各種材料是各向同性的，因此電池內(nèi)部的溫度只在徑向上變化，在其他方向上不變化；(4)熱量在電池內(nèi)部是均勻產(chǎn)生的；(5)電池散熱邊界條件只考慮對(duì)流換熱。

1.2 生成熱的確定

鋰離子蓄電池放電時(shí)，其內(nèi)部熱量主要由以下三部分組成：(1)由內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量(歐姆熱)；(2)極化反應(yīng)放出的熱量(不可逆熱量)；(3)內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)放出的熱量(可逆熱量)。D. Bernardi、J.Newman等人認(rèn)為電池內(nèi)部熱量是均勻產(chǎn)生的[5]，電池內(nèi)部生成的熱量可由下面的公式來(lái)確定：

表1 ICR65/400型鋰離子蓄電池基本參數(shù)

1.3 控制方程

根據(jù)以上簡(jiǎn)化假設(shè)可知，ICR65/400型鋰離子蓄電池可以視為常物性、有內(nèi)熱源的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，但由于假設(shè)溫度只在電池的徑向上發(fā)生變化，故可簡(jiǎn)化為一維瞬態(tài)傳熱模型，其數(shù)學(xué)模型控制方程[6]為：

1.4 求解條件的確定

對(duì)于瞬態(tài)導(dǎo)熱來(lái)說(shuō)，為了保證解的唯一性，必須給出過(guò)程開(kāi)始時(shí)刻物體內(nèi)的溫度場(chǎng)。鋰離子在放電以前，電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)是均勻分布的。這里假設(shè)電池放電以前電池的溫度為300 K。為了研究表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)電池散熱的影響，本文中電池邊界散熱方式僅考慮對(duì)流換熱方式，忽略輻射換熱對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響。

表2 ICR65/400型鋰離子蓄電池溫度場(chǎng)邊界條件

2 求解分析

2.1 建模分析求解

本文采用Ansys10.0軟件對(duì)ICR65/400型鋰離子蓄電池的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，其外形尺寸如圖1所示。

由于ICR65/400型鋰離子蓄電池為圓柱形呈對(duì)稱分布，且電池溫度只在徑向變化，故在建模分析時(shí)，抽取圓柱體的1/4體積來(lái)進(jìn)行建模，溫度場(chǎng)分布圖抽取其中的一個(gè)橫截面進(jìn)行分析，其生成的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 電池1/4體積網(wǎng)格劃分

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 放電速率對(duì)電池溫度場(chǎng)分布的影響

圖1 ICR65/400型鋰離子蓄電池外形示意圖

圖3 1放電時(shí)電池的三維溫度場(chǎng)分布圖

圖4 1放電時(shí)電池端面的溫度場(chǎng)分布圖

圖5 2放電時(shí)電池的溫度場(chǎng)分布圖

圖6 0.5放電時(shí)電池的溫度場(chǎng)分布圖

2.2.2 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)對(duì)電池內(nèi)部溫度場(chǎng)的影響

圖7=10 W/(m2·K)，1放電時(shí)電池溫度場(chǎng)分布

圖8=10 W/(m2·K)，1放電時(shí)電池溫度場(chǎng)分布

圖9=50 W/(m2·K)，1放電時(shí)電池溫度場(chǎng)分布

3 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析并結(jié)合實(shí)際情況建立了ICR65/400型鋰離子蓄電池的數(shù)學(xué)模型，使用Ansys10.0對(duì)ICR65/400型鋰離子蓄電池放電時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬，分別得到了放電速率為1、=10 W/(m2·K)，放電速率為2、=10 W/(m2· K)，放電速率為0.5、=10 W/(m2·K)，放電速率為1、= 20 W/(m2·K)，放電速率為1、=50 W/(m2·K)時(shí)，ICR65/400型鋰離子蓄電池的溫度場(chǎng)分布圖。由文中仿真結(jié)果可知，電池的溫度梯度在徑向分布比較明顯，溫度梯度比較大，而在軸向，溫度梯度非常小，基本沒(méi)有。原因?yàn)椋涸诜烹姇r(shí)，假設(shè)電池的邊界條件為側(cè)面對(duì)流換熱，而電池的兩端面為絕熱邊界，實(shí)際中應(yīng)該考慮兩端面散熱對(duì)電池溫度場(chǎng)分布的影響；其次，電池內(nèi)部軸向材料的熱導(dǎo)率比徑向材料的熱導(dǎo)率大，使得電池在軸向溫度傳播得比較快，電池溫度梯度比較小，而在徑向有明顯的溫度梯度。

根據(jù)得出的溫度場(chǎng)分布云圖可知：(1)電池放電速率越快，電池放電時(shí)間越短，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量越難散發(fā)出來(lái)，電池中心的溫度就越高，電池內(nèi)部和外壁的溫度差就越大，溫度場(chǎng)越不均勻；(2)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)越高，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)電池外壁散發(fā)出去的熱流量就越多，電池中心的溫度就越低，電池內(nèi)部與外壁的溫度差就越小，溫度場(chǎng)越均勻；(3)隨著表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的增加，電池內(nèi)部與電池外壁的溫度差逐漸減小，電池內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布越均勻；(4)采用不同換熱方式時(shí)，對(duì)電池內(nèi)部最高溫度的抑制有明顯差別，采用強(qiáng)制對(duì)流換熱方式時(shí)，能夠有效降低電池內(nèi)部最高溫度。

[1]CAI L,WHITE R E.An efficient electorchemical-thermal model for a lithium-ion cell by using the proper orthogonal decomposition method[J].Journal of the Electromical Society,2010,157(11): A1188-A1195.

[2]KUMARESAN K,SIKHA G,WHITE R E.Thermal model for a Li-ion cell[J].Journal of the Electromical Society,2008,155(2): A164-A171.

[3]SRINIVASAN V,WANG C Y.Analysis of electrochemical and thermal behavior of Li-Ion cells[J].Journal of the Electromical Society, 2003,150(1):A98-A106.

[4]龐靜，盧世剛.鋰離子蓄電池高溫反應(yīng)及其影響因素[J].電池工業(yè)，2004,9(3):136-139.

[5]BERNARDI D,PAWLIKOWSKI E,NEWMAN J.A general balance for battery systems[J].Journal of the Electromical Society,1985, 132(1):5-12.

[6]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

Simulation of li-ion battery's temperature field

ZHANG Feng-tao,HU Yu-li,WEN Jie,TANG Fan

Lithium battery was developed rapidly and applied widely.The performance and longevity of lithium battery were deeply influenced by the problem of heat generation,and the safety problems were appeared.By using the software Ansys10.0,the temperature field equality for ICR65/400 Li-ion battery was analyzed and simulated,and the factors affecting the temperature lines with time and the temperature field of Li-ion battery including discharge rate and convection coefficient were discussed.The result indicates that the temperature field equality of ICR65/400 Li-ion battery is influenced obviously by the discharge rate and convection coefficient.

Li-ion battery;discharge rate;temperature field;simulation

TM 912

A

1002-087 X(2014)02-0241-04

2013-06-06

張鳳濤(1988—)，男，山東省人，碩士生，主要研究方向?yàn)樗潞叫衅鲃?dòng)力推進(jìn)技術(shù)。導(dǎo)師：胡欲立(1963—)，男，湖南省人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制技術(shù)及計(jì)算機(jī)仿真、水下自主航行器動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)、流體傳動(dòng)與控制工程等。