基于ANSYS的18650鋰離子電池單體穩態熱分析

余小清，陳國喜，鄒嘉林，陳東云，王宣懿

（重慶郵電大學先進制造工程學院，重慶 400065）

基于ANSYS的18650鋰離子電池單體穩態熱分析

余小清，陳國喜，鄒嘉林，陳東云，王宣懿

（重慶郵電大學先進制造工程學院，重慶 400065）

鋰電池性能優越廣泛應用于電動汽車,但在使用過程中會大量發熱，存在安全隱患。針對18650鋰電池單體建立了三維模型，利用有限元分析軟件ANSYS模擬其特定工況，得到了18650鋰電池單體發熱狀態下的溫度場。

18650鋰電池；ANSYS；穩態熱分析；溫度場

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-18-02

引言

鋰離子電池因其大容量、高電壓、良好的安全性能及循環性能等優越性能廣泛應用于電動汽車行業[1]，但其在使用過程中過度放熱會引起電池內部溫度異常升高，縮短電池的使用壽命，因此需要對電池溫度場分析研究[2]。本文利用ANSYS軟件，建立18650鋰離子電池單體模型，進行熱分析研究，對18650鋰離子電池在使用過程中的溫度場分布進行模擬,得到熱分析結果。在實際工程中，該分析結果為鋰離子電池溫度場的分布測定和優化設計提供了一定的理論依據。

1、仿真計算理論依據

電池內部結構及反應機理相對復雜，且有軟件運算能力有所限制，因此對18650鋰離子電池進行以下簡化假設：電池內部電解液流動性較差，忽略內部對流換熱；電池內部輻射對散熱影響較小，忽略不計；熱量在電池內部均勻產生。

根據假設，建立電池穩態傳熱、內部生成熱數學模型[3]：

式（1）中，q′′為熱流密度，k為導熱系數；式（2）中，Q為電池內部單位體積生熱率，V為電池的總體積，Uoc為電池的開路電壓，U為電池的工作電壓，t為電池溫度；電池電壓隨溫度變化的溫度系數，一般取值-0.5×10-3V/K。

2、仿真分析

2.1 有限元模型

18650鋰離子電池單體為螺旋結構，在進行熱分析時由于生熱主要為正負極，其它部分為次要因素。因此分析時對模型進行簡化。簡化后的18650鋰離子電池單體模型如圖1所示。

圖1 簡化18650鋰離子電池單體模型

2.2 材料參數

選擇磷酸鐵鋰電池作為分析對象，根據電池單體分配材料屬性，設置電池各個材料的比熱容和熱傳導系數。材料參數[4]如表1所示。

表1 材料參數

2.3 載荷與約束

在熱分析中，基本傳熱方式有熱傳導、熱對流和熱輻射三種[5]。對于18650鋰離子電池單體，熱對流及熱輻射影響較小，主要考慮熱傳導的傳熱方式其載荷方式為內部熱生成率，內部熱生成率根據式（2）計算所得如下表2。

表2

對電池模型進行穩態熱及瞬態熱分析，施加溫度載荷、對流載荷及熱生成載荷。一般空氣自然對流系數5～25W/(m2×K)，考慮18650鋰離子電池在電池包中所處環境為中一般對流[5]，故對流換熱系數大致選定為10，施加對象為模型外殼表面，環境溫度為22℃。

2.4 網格劃分

由于18650鋰離子電池單體的幾何形狀相對不規則，在考慮精度的情況下，可采用四面體網格劃分的方法來劃分網格[6]，對幾何形狀不規則的結構進行離散，只要劃分足夠細密的單元，可以獲得具有足夠精度的解。綜上，經多次劃分后確定電池的網格大小為，共劃分結點98228個，網格單元15483個，該尺寸網格可以保證其結果的收斂性[7]。18650鋰離子電池網格劃分如圖2所示。

圖2 18650鋰離子電池單體網格劃分

3、計算結果及分析

根據建立的鋰離子電池單體溫度場有限元模型，用ANSYS進行了熱仿真分析[8]，得到了鋰離子電池單體溫度場在熱傳導為主要傳熱方式下的溫度場分布如圖3所示。

圖3 18650鋰離子電池單體溫度場

4、結語

本文從理論與仿真分析完成了18650鋰電池單體的熱分析，從圖3可知，18650鋰離子電池單體最高溫度為 42.08°C，最低溫度為 41.69°C。在實際工程中，該分析結果為鋰離子電池溫度場的分布測定和優化設計提供了一定的理論依據。

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18650 lithium ion battery based on ANSYS Steady state thermal analysis

Yu Xiaoqing, Chen Guoxi, Zou Jialin, Chen Dongyun, Wang Xuanyi
( Institute of advanced manufacturing engineering of chongqing university of posts and telecommunications, Chongqing 400065 )

Lithium-ion batteries superior performance is widely used in electric cars, but in use process will be a large number of fever, pose a safety hazard. For 18650 lithium battery monomer three-dimensional model is established, using the finite element analysis software ANSYS to simulate its specific operating mode, 18650 lithium-ion battery monomer the temperature field of hot condition.

18650 lithium batteries; ANSYS; The steady state thermal analysis; The temperature field

U469.7

：A

：：1671-7988 (2017)07-18-02

余小清（1996-），女，就讀于重慶郵電大學，機械設計制造及其自動化專業。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.008