儲能電池的熱仿真及其產(chǎn)熱分析

歐陽葉郁，郭韻，邱李培

（上海工程技術大學機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

隨著高新企業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們的生活水平得到了顯著提升，而對能源的需求量也越來越大。為了減少對不可再生資源的依賴，開發(fā)新型的能源結(jié)構(gòu)迫在眉睫。在這樣的新形勢下，高效的能量儲存與轉(zhuǎn)換裝置顯得尤為重要，用以實現(xiàn)集中化、智能化及高效化的管理及應用。智慧儲能的概念應運而生。儲能作為一個配電設備、發(fā)電設備、傳輸設備以及用戶終端，其在電網(wǎng)的作用，極大地改善了電網(wǎng)對大量能源的適應性。

目前，在市場上占據(jù)主導地位的儲能技術大致分為4類：(1)抽水儲能；(2)儲熱；(3)電化學儲能；(4)機械儲能[1]。鋰離子電池作為一款集比能量高、能量密度高、自放電率小、輸出功率大等諸多優(yōu)良特性的電池，在動力電池及儲能電池領域擁有極大的市場。可是鋰離子電池在實際應用中還可能出現(xiàn)熱失控的問題。原因在于，鋰離子電池在充放電過程中，電池內(nèi)阻發(fā)熱、電極極化發(fā)熱及化學反應放熱等會使電池溫度迅速升高，電池溫度升高會進一步促使反應的加劇，從而形成產(chǎn)熱與溫升的正反饋[2]。當溫度超過一定限制時，電池可能會出現(xiàn)膨脹、泄露、乃至爆炸等不安全因素[3-5]。不僅如此，在充電過程中負極側(cè)極易產(chǎn)生鋰枝晶而易縮短電池壽命。因此，對電池的產(chǎn)熱行為深入研究對電池的安全保障及延長電池壽命有著極大的幫助。

目前已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)并使用的獨立式光伏系統(tǒng)中一般采用蓄電池作為儲能裝置，但蓄電池的使用壽命一般僅在6～7年[6-7]，所以目前采用鋰電池構(gòu)建儲能裝置已成為目前研究的一大重點。本文采用儲能電池常用的磷酸鐵鋰電池(LiFePO4)作為研究目標，計算出仿真過程中所需的熱物理參數(shù)，使用ICEM CFD繪制電池模型并畫出結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，轉(zhuǎn)而使用ANSYS Fluent軟件進行數(shù)值仿真，研究單體電池在1C恒流放電時溫度分布情況，最后與實驗數(shù)據(jù)對比驗證仿真結(jié)果的準確性。

1 電池模型及其工作原理

鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由正負極、正負極極柱、隔膜、絕緣環(huán)和殼體組成。具體的圓柱型鋰離子電池的縱向切面展開圖如圖1所示。

圖1 鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開圖

鋰離子電池本質(zhì)上是一種濃度差電池，以碳素材料（一般多為石墨）為負極，含鋰的化合物為正極，其中不存在金屬鋰，只有鋰離子，鋰離子通過電解質(zhì)進入電池負極，嵌入負極碳層的微孔中[8]。而在電池的使用過程中（相當于放電），嵌入微孔中的鋰離子又運動回到正極。這樣，在電池充放電過程中，鋰離子在正負極之間不斷的來回奔跑，故稱其為“搖椅電池”。具體工作原理如圖2所示。

圖2 鋰離子電池充放電過程原理圖

根據(jù)Bernardi均勻產(chǎn)熱理論，由于鋰電池的層狀結(jié)構(gòu)，可以認為電池內(nèi)部各處產(chǎn)熱均勻，整個電池可以認為是一個各向異性的整體，忽略電池內(nèi)濃溶液的流動以及電池內(nèi)部微弱的熱輻射過程，可以認為鋰電池的傳熱過程是一個發(fā)生在均一各向異性材料中的固體熱傳導過程[9-11]。下一章對電池熱物理參數(shù)計算建立模型，研究電池的產(chǎn)熱行為。

2 測溫平臺

本文采用26650型磷酸鐵鋰電池，標稱電壓3.6V，標稱容量2200mAh，電池質(zhì)量為39g。實驗室環(huán)境溫度為27°C，在電池中部及兩端布置熱電偶，將導線焊于電池兩端，最后將連接好的電池置于固定容器中，搭建實驗平臺如圖3所示。其他使用設備還包括電池測溫儀一臺，測試用電腦一部。

圖3 測溫平臺

3 熱物理參數(shù)的確立

圓柱型鋰離子電池的產(chǎn)熱模型中涉及到的熱物理參數(shù)包括比熱容C，發(fā)熱功率Ph，質(zhì)量M，反應總時長T與電池密度ρ。

根據(jù)比熱容的物理定義，我們得到式(1)：

其中to和t分別為電池在1C放電的起始溫度和最高溫度，Qh為電池放熱過程中的總產(chǎn)熱量，由于1C放電后電芯的剩余電量SOC在電池行業(yè)內(nèi)可忽略不計，通過實驗測出電池的總發(fā)熱量為2378.44J，電池起始溫度27°C，最高溫度42.9°C，放電前后最大溫差為15.9°C，放電過程持續(xù)2834s，算得C=3.84 J/(g·K)。

計算發(fā)熱功率的表達式(2)為：

算得P=0.84W。

對于單體電池自身的吸熱量，由于電池材料以及結(jié)構(gòu)較為復雜，視為各向異性，導熱反應過程非常復雜[8]，因此我們考慮在直角坐標系中沿坐標軸x、y、z的熱流密度可分別由式(3) (4) (5)表示：

解得導熱系數(shù)為1.37W/(m·k)。

對流換熱系數(shù)方程由式(6)表示：

算出對流換熱系數(shù)為12W/(m2·k)。

4 建立三維熱物理模型

基于電池自身的物理參數(shù)與計算得出得熱物理參數(shù)，歸納出該儲能電池建模所需的熱物理參數(shù)，如表1所示。

表1 儲能電池的熱物理參數(shù)

基于以上數(shù)據(jù)在ICEM CFD中以1:1的比例繪制三維電池模型圖并繪制網(wǎng)格，對于單體電池的網(wǎng)格劃分，考慮電池殼體為四邊形，電池內(nèi)部為四面體的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對其劃分。這種劃分方式更容易實現(xiàn)局部曲面的擬合，與實際模型更接近。網(wǎng)格繪制如圖4所示。

圖4 單體儲能電池CFD 網(wǎng)格模型

經(jīng)網(wǎng)格無關性檢驗，確定最佳網(wǎng)格數(shù)為144120，檢查網(wǎng)格質(zhì)量(Quality)，長寬比(Aspect ratio)均接近于1，角度(Angle)均大于18，網(wǎng)格總體質(zhì)量較好，可用于Fluent仿真。

5 仿真分析

基于建立好的鋰離子電池仿真模型和計算得出的熱物性參數(shù)，運用ANSYS Fluent軟件對電池進行仿真。在模型中選取對應的溫度測試點與實測保持一致，設置邊界條件為對流邊界加在電池的上下兩端面，初始溫度設定為300K，與實測電池環(huán)境溫度保持一致。

鋰離子電池在1C放電倍率下的溫度分布云圖及切平面溫度分布如圖5、6所示。

圖5 溫度分布云圖

圖6 溫度分布切平面圖

在電池放電2834s后，電池整體溫度分布呈現(xiàn)中間高兩端低且逐級遞減的趨勢，溫度最高點為電池中部42.49°C，溫度最低點為電池兩端，約40°C左右，其中電池在仿真過程中1C放電時電池表面最高溫度隨時間的變化與實測相比，最大誤差為0.77°C，平均誤差為0.44°C（詳見圖7），誤差均不超過1°C，由此也證明了該儲能型電池產(chǎn)熱研究的準確性。

圖7 電池仿真溫度與實測溫度對比

6 結(jié)論

儲能型鋰離子電池的產(chǎn)熱行為研究對光伏發(fā)電系統(tǒng)中鋰離子電池可能出現(xiàn)的熱失控方面提供了理論依據(jù)，對增強電池安全性能方面具有正面的研究意義。本文基于對單體鋰離子電池熱物理參數(shù)計算得出的數(shù)據(jù)，與實驗測溫數(shù)據(jù)相擬合，建立電池三維熱模型，并使用ICEM CFD，ANSYS Fluent等軟件進行仿真處理。通過該研究得出以下結(jié)論：

單體電池在不受外界條件干擾的前提下，在對其1C恒流放電的過程中趨于穩(wěn)定，并運用物理公式推算出比熱容，發(fā)熱功率等熱物理參數(shù)，為儲能型電池的熱研究提供理論依據(jù)。

基于ICEM CFD繪制質(zhì)量較好的結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，結(jié)合ANSYS Fluent軟件進行仿真，模擬出電池在1C放電倍率下的溫度分布情況，并與實測電池升溫作對比，得出最高溫度誤差為0.77°C，平均誤差為0.44°C，反映了熱仿真結(jié)果的準確性，為后續(xù)儲能型電池的熱管理研究打下理論基礎。