基于Fluent的單體鋰離子電池?zé)岱抡娣治?/h1>
2021-11-23 00:24詹世東李康偉蔡友彬石浩宇吳彥鑫
時代汽車 2021年22期 關(guān)鍵詞：鋰離子電池
詹世東 李康偉 蔡友彬 石浩宇 吳彥鑫
摘 要：本文采用Fluent軟件中的MSMD電池模型進(jìn)行仿真，分析了不同放電倍率下單體鋰離子電池的電壓和溫度特性。首先，根據(jù)實(shí)際尺寸建立單體鋰離子電池的三維模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分及邊界條件命名等前處理;其次，利用Fluent的MSMD電池模塊對電池單體在300K室溫條件下分別以1C、3C、5C、7C的放電倍率進(jìn)行溫度仿真，得到單體電池的溫度特性曲線和電壓特性曲線，分析結(jié)果表明，隨著放電倍率的增大，電池的放電終止電壓越低，耗電量越高，電池的溫度和溫差都隨之增大。
關(guān)鍵詞：鋰離子電池 MSMD 單體電芯
Thermal simulation analysis of Lithium-ion cell based on Fluent
Zhan Shidong Li Kangwei Cai Youbin Shi Haoyu Wu Yanxin
Abstract：This paper uses the MSMD battery model simulation in the Fluent software to analyze the voltage and temperature characteristics of lithium-ion cell under different discharge rates.First， a three-dimensional model of the lithium-ion battery cell according to the actual size is established， and pre-processing such as grid division and boundary condition naming are conducted. Secondly， the MSMD battery module in the fluent software is used to simulate the temperature of the battery cells at the discharge rates of 1C， 3C， 5C， and 7C at 300K room temperature. Finally， the temperature characteristic curve and voltage characteristic curve of lithium-ion cell are obtained. The analysis results show that as the discharge rate increases， the lower the discharge end voltage of the battery and the higher the power consumption， the temperature and temperature difference of the battery increase accordingly.
Key words：Lithium-ion battery; MSMD; Cell
1 前言
目前，隨著環(huán)境污染及能源短缺問題在全球范圍內(nèi)的出現(xiàn)，尋找更環(huán)保、低耗和安全的汽車能源顯得尤為關(guān)鍵，因此推動電動汽車的發(fā)展成了人們普遍關(guān)注的重點(diǎn)。鋰離子電池的高能量密度、循環(huán)壽命長、安全性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電動汽車行業(yè)。但是，鋰離子電池的安全性能受充放電過程中的溫度影響較大，鋰離子電池最佳工作溫度范圍為20℃～40℃，最大溫差不超過5℃。單體電池的溫度和溫差過大會導(dǎo)致鋰離子電池的充放電效率降低，溫差嚴(yán)重時還會產(chǎn)生電池的熱失控和安全問題。
閆凱和楚金甫等人[1]利用CFD軟件對18650單體電芯進(jìn)行了1C放電工況下的熱仿真分析，并使用熱成像對比驗(yàn)證二者的測試結(jié)果，得出了CFD軟件熱仿真分析的數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確的結(jié)論;北京建筑大學(xué)的周慶輝和陳展等人[2]利用Fluent軟件進(jìn)行了不同電流下鋰離子電池的溫度場仿真，得出電池電流越大對電池的溫度和溫差的影響越大;南昌大學(xué)的李甜甜等人[3]進(jìn)行單體電池的溫度場仿真分析，并對單體電池進(jìn)行對應(yīng)的放電實(shí)驗(yàn)得到了電池實(shí)際溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真得到的數(shù)據(jù)，得出所建立的電池三維熱模型具有真實(shí)性。
本文以研究單體鋰離子電池?zé)岱抡鏋槟康模捎没贔luent的MSMD電池模塊建立單體電池生熱模型，對不同放電倍率下的單體電池的溫度及電壓情況進(jìn)行研究。
2 單體電芯建模
2.1 單體鋰離子電池模型建立
利用CATIA軟件對格瑞普公司生產(chǎn)的軟包鈷酸鋰16.8Ah單體電芯進(jìn)行三維建模。因原電池模型較為復(fù)雜，本文將原模型的凸臺、倒角、凹槽等與電池放電生熱影響不大的細(xì)節(jié)刪除，將原電池模型進(jìn)行簡化，得到簡化后的電池模型尺寸，如圖1所示。電芯的長度為154.5mm、寬度為85mm、厚度為10.5mm。極耳長度為11.5mm、寬度為25mm、兩極耳間距為6.5mm。在SpaceClaim中對幾何模型進(jìn)一步進(jìn)行簡化，將電池的極耳與電芯部分設(shè)置為獨(dú)立的幾何結(jié)構(gòu)，并對各部分進(jìn)行命名。
2.2 電池模型的網(wǎng)格劃分與前處理
因電池模型簡化后為規(guī)則的長方體幾何結(jié)構(gòu)，故在ANSYS Mesh中將網(wǎng)格類型設(shè)置為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸控制為3mm，其余網(wǎng)格劃分選項(xiàng)不作修改，對電池模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.97831，網(wǎng)格單元數(shù)為4348，該網(wǎng)格質(zhì)量可以保證在網(wǎng)格整體不失真的情況下進(jìn)行溫度仿真，且同時保證了數(shù)據(jù)精度與仿真速度。
對單體鋰離子電池模型的邊界進(jìn)行命名，在ANSYS Mesh中將電芯外表面定義為wall-cell，將極耳頂面定義為tap-n與tap-p，將極耳的其余面定義為wall-n與wall-p。
3 鋰離子電池?zé)岱抡婊A(chǔ)
3.1 鋰離子電池?zé)崽匦苑治?/p>
鋰離子電池生熱主要是指充放電過程中因電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使得鋰離子在電池正負(fù)極材料之間來回運(yùn)動所產(chǎn)生的反應(yīng)熱Qa，這部分熱量占電池生熱量的絕大部分[4]，除外，鋰離子電池的生熱量還包括歐姆內(nèi)阻的焦耳熱Qb、極化反應(yīng)的極化熱Qc。所以鋰離子電池在充放電過程中所產(chǎn)生的總熱量應(yīng)為[5]：
式中，n為電池的數(shù)量;m為電池極耳的質(zhì)量;Q為電池的電化學(xué)反應(yīng)熱;I為充放電電流;M為摩爾質(zhì)量;F為法拉第常數(shù);Re為歐姆內(nèi)阻;Rp為極化內(nèi)阻。
3.2 MSMD電池模型的微分方程
在Fluent中的MSMD模塊，采用微分方程求解電池?zé)釄龊碗妶鯷6]：
上式中，和為正負(fù)極的有效電導(dǎo)率，和為正負(fù)極的相電勢，和為電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的體積電流傳遞速率和電化學(xué)反應(yīng)熱，和分別為電池內(nèi)部短路引起的電流傳遞率和產(chǎn)熱率，為熱濫用條件下熱失控反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。
4 單體電芯放電生熱仿真
4.1 單體電芯溫度仿真
本文采用ANSYS Fluent的MSMD 電池模塊建立單體電芯放電生熱溫度場仿真模型，在Fluent軟件中打開能量方程，設(shè)置為瞬態(tài)求解。在Fluent求解器中分別輸入以下UDF指令打開MSMD電池模型[7]：
define/models/addon-module/8，在MSMD電池模型中選擇 NTGK 模型，設(shè)置電芯容量為16.8 A.h，在Conductive Zones中分別定義電芯及正負(fù)極，在Electric Contacts中定義正負(fù)極極耳連接面。
設(shè)置正負(fù)極極耳材料為鋁，負(fù)極極耳設(shè)置擴(kuò)散系數(shù)uds0與uds1，電芯材料屬性設(shè)置如表1所示，設(shè)置初始溫度為300K，電芯與極耳的壁面在自然條件下對流換熱系數(shù)設(shè)置為5W/（m2·K），設(shè)置電池電壓和溫度監(jiān)測，時間步數(shù)設(shè)為50，單位步長為30s，分別以1C、3C、5C、7C的放電倍率進(jìn)行單體電芯溫度場仿真，經(jīng)計(jì)算得出各放電倍率下單體電芯的壁面溫度云圖、電壓特性曲線和溫度特性曲線，如圖2、3、4所示。
4.2 不同放電倍率下的仿真結(jié)果
從圖2可以得到在1C、3C、5C和7C放電倍率下的電池最低溫度和最高溫度以及溫差的對比數(shù)據(jù)，如表2所示。
因?yàn)殡姵胤烹姇r大部分熱量由電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，小部分熱量由內(nèi)阻熱產(chǎn)生，熱量以熱傳導(dǎo)的形式向外擴(kuò)散，電芯各方向?qū)嵯禂?shù)不同，所以電池最高溫度位于電芯中間，最低溫度位于極耳附近。由表2可知，隨著放電倍率的增大，單體電芯最高溫度、最低溫度、溫差都隨之相應(yīng)增大。在7C放電倍率下，單體電芯溫差最大，為1.81K。
由圖3可知，隨著放電倍率的逐漸增大，電池放電終止電壓逐漸降低，放電終止時間逐漸減小，放電電壓曲線的斜率不斷增大，電池電量耗盡時間逐漸減小。由圖4可知，隨著放電倍率的逐漸增大，電池放電終止溫度逐漸升高，斜率增大，電池升溫速度加快。
4.3 仿真結(jié)果分析
從鋰離子電池在不同的放電倍率下進(jìn)行的放電生熱分析仿真結(jié)果看出，當(dāng)放電倍率增大時，電池的電壓初始電壓和終止電壓減低，電池電壓下降速度加快，電池內(nèi)阻增大，電池內(nèi)部生熱量隨之增大，導(dǎo)致電池各部分產(chǎn)生的溫度和溫差增大。若以更大放電倍率對電池進(jìn)行放電，或?qū)㈦姵卮?lián)組成電池包放電使用時，將可能導(dǎo)致電池溫度超過電池的合理工作溫度范圍，如果不及時采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?，將影響電池的正常放電工作，并且會危害到電池的使用壽命，甚至出現(xiàn)熱失控等安全隱患。
5 結(jié)束語
1）隨著鋰離子電池放電倍率的增大，電池的終止電壓降低，電量下降速度加快，電池的最低與最高溫度增大，溫差也增大。
2）對鋰離子電池進(jìn)行不同放電倍率下的溫度仿真得出，電池中心部分溫度最高，極耳部分溫度最低，由此可根據(jù)不同放電倍率下的溫度變化進(jìn)行對電池包的結(jié)構(gòu)散熱進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化。
3）在進(jìn)行電池1C、3C、5C的放電倍率放電時，電池溫度逐漸升高，但都低于40℃，以7C放電倍率進(jìn)行放電時電池最低溫度和最高溫度都超過電池放電的合理工作范圍，此時需及時采取散熱措施，保證電池使用壽命。
基金項(xiàng)目：廣東省攀登計(jì)劃科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)（項(xiàng)目編號：pdjh2020a0820）。
參考文獻(xiàn)：
[1]閆凱，楚金甫，陳西山，古偉鵬，常樂.純電動車用動力電池系統(tǒng)溫度場特性的數(shù)值研究[J].時代汽車，2018（02）：35-37.
[2]周慶輝，陳展，劉少楠.基于Fluent的鋰離子動力電池的熱分析[J].北京建筑大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017，33（03）：33-37+65.
[3]李甜甜. 電動汽車鋰離子電池?zé)崽匦苑治黾吧醿?yōu)化[D]. 南昌大學(xué)， 2016.
[4]田華，王偉光，舒歌群，嚴(yán)南華.基于多尺度、電化學(xué)-熱耦合模型的鋰離子電池生熱特性分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版）， 2016， 49（07）：734-741.
[5]方雄燦. 電動汽車鋰離子電池組熱特性分析及電池箱體散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].合肥工業(yè)大學(xué)， 2017.
[6]薛寧.動力電池?zé)嵝袨榧捌溥^熱性分析[D].吉林大學(xué)， 2017.
[7]郭磊.對FLUENT輻射模型的數(shù)值計(jì)算與分析[J].制冷與空調(diào)（四川）， 2014，28（03）：358-360.
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關(guān)鍵詞：鋰離子電池 MSMD 單體電芯
Thermal simulation analysis of Lithium-ion cell based on Fluent
Zhan Shidong Li Kangwei Cai Youbin Shi Haoyu Wu Yanxin
Abstract：This paper uses the MSMD battery model simulation in the Fluent software to analyze the voltage and temperature characteristics of lithium-ion cell under different discharge rates.First， a three-dimensional model of the lithium-ion battery cell according to the actual size is established， and pre-processing such as grid division and boundary condition naming are conducted. Secondly， the MSMD battery module in the fluent software is used to simulate the temperature of the battery cells at the discharge rates of 1C， 3C， 5C， and 7C at 300K room temperature. Finally， the temperature characteristic curve and voltage characteristic curve of lithium-ion cell are obtained. The analysis results show that as the discharge rate increases， the lower the discharge end voltage of the battery and the higher the power consumption， the temperature and temperature difference of the battery increase accordingly.
Key words：Lithium-ion battery; MSMD; Cell
1 前言
目前，隨著環(huán)境污染及能源短缺問題在全球范圍內(nèi)的出現(xiàn)，尋找更環(huán)保、低耗和安全的汽車能源顯得尤為關(guān)鍵，因此推動電動汽車的發(fā)展成了人們普遍關(guān)注的重點(diǎn)。鋰離子電池的高能量密度、循環(huán)壽命長、安全性高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電動汽車行業(yè)。但是，鋰離子電池的安全性能受充放電過程中的溫度影響較大，鋰離子電池最佳工作溫度范圍為20℃～40℃，最大溫差不超過5℃。單體電池的溫度和溫差過大會導(dǎo)致鋰離子電池的充放電效率降低，溫差嚴(yán)重時還會產(chǎn)生電池的熱失控和安全問題。
閆凱和楚金甫等人[1]利用CFD軟件對18650單體電芯進(jìn)行了1C放電工況下的熱仿真分析，并使用熱成像對比驗(yàn)證二者的測試結(jié)果，得出了CFD軟件熱仿真分析的數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確的結(jié)論;北京建筑大學(xué)的周慶輝和陳展等人[2]利用Fluent軟件進(jìn)行了不同電流下鋰離子電池的溫度場仿真，得出電池電流越大對電池的溫度和溫差的影響越大;南昌大學(xué)的李甜甜等人[3]進(jìn)行單體電池的溫度場仿真分析，并對單體電池進(jìn)行對應(yīng)的放電實(shí)驗(yàn)得到了電池實(shí)際溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真得到的數(shù)據(jù)，得出所建立的電池三維熱模型具有真實(shí)性。
本文以研究單體鋰離子電池?zé)岱抡鏋槟康模捎没贔luent的MSMD電池模塊建立單體電池生熱模型，對不同放電倍率下的單體電池的溫度及電壓情況進(jìn)行研究。
2 單體電芯建模
2.1 單體鋰離子電池模型建立
利用CATIA軟件對格瑞普公司生產(chǎn)的軟包鈷酸鋰16.8Ah單體電芯進(jìn)行三維建模。因原電池模型較為復(fù)雜，本文將原模型的凸臺、倒角、凹槽等與電池放電生熱影響不大的細(xì)節(jié)刪除，將原電池模型進(jìn)行簡化，得到簡化后的電池模型尺寸，如圖1所示。電芯的長度為154.5mm、寬度為85mm、厚度為10.5mm。極耳長度為11.5mm、寬度為25mm、兩極耳間距為6.5mm。在SpaceClaim中對幾何模型進(jìn)一步進(jìn)行簡化，將電池的極耳與電芯部分設(shè)置為獨(dú)立的幾何結(jié)構(gòu)，并對各部分進(jìn)行命名。
2.2 電池模型的網(wǎng)格劃分與前處理
因電池模型簡化后為規(guī)則的長方體幾何結(jié)構(gòu)，故在ANSYS Mesh中將網(wǎng)格類型設(shè)置為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸控制為3mm，其余網(wǎng)格劃分選項(xiàng)不作修改，對電池模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。最終網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.97831，網(wǎng)格單元數(shù)為4348，該網(wǎng)格質(zhì)量可以保證在網(wǎng)格整體不失真的情況下進(jìn)行溫度仿真，且同時保證了數(shù)據(jù)精度與仿真速度。
對單體鋰離子電池模型的邊界進(jìn)行命名，在ANSYS Mesh中將電芯外表面定義為wall-cell，將極耳頂面定義為tap-n與tap-p，將極耳的其余面定義為wall-n與wall-p。
3 鋰離子電池?zé)岱抡婊A(chǔ)
3.1 鋰離子電池?zé)崽匦苑治?/p>
鋰離子電池生熱主要是指充放電過程中因電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使得鋰離子在電池正負(fù)極材料之間來回運(yùn)動所產(chǎn)生的反應(yīng)熱Qa，這部分熱量占電池生熱量的絕大部分[4]，除外，鋰離子電池的生熱量還包括歐姆內(nèi)阻的焦耳熱Qb、極化反應(yīng)的極化熱Qc。所以鋰離子電池在充放電過程中所產(chǎn)生的總熱量應(yīng)為[5]：
式中，n為電池的數(shù)量;m為電池極耳的質(zhì)量;Q為電池的電化學(xué)反應(yīng)熱;I為充放電電流;M為摩爾質(zhì)量;F為法拉第常數(shù);Re為歐姆內(nèi)阻;Rp為極化內(nèi)阻。
3.2 MSMD電池模型的微分方程
在Fluent中的MSMD模塊，采用微分方程求解電池?zé)釄龊碗妶鯷6]：
上式中，和為正負(fù)極的有效電導(dǎo)率，和為正負(fù)極的相電勢，和為電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的體積電流傳遞速率和電化學(xué)反應(yīng)熱，和分別為電池內(nèi)部短路引起的電流傳遞率和產(chǎn)熱率，為熱濫用條件下熱失控反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。
4 單體電芯放電生熱仿真
4.1 單體電芯溫度仿真
本文采用ANSYS Fluent的MSMD 電池模塊建立單體電芯放電生熱溫度場仿真模型，在Fluent軟件中打開能量方程，設(shè)置為瞬態(tài)求解。在Fluent求解器中分別輸入以下UDF指令打開MSMD電池模型[7]：
define/models/addon-module/8，在MSMD電池模型中選擇 NTGK 模型，設(shè)置電芯容量為16.8 A.h，在Conductive Zones中分別定義電芯及正負(fù)極，在Electric Contacts中定義正負(fù)極極耳連接面。
設(shè)置正負(fù)極極耳材料為鋁，負(fù)極極耳設(shè)置擴(kuò)散系數(shù)uds0與uds1，電芯材料屬性設(shè)置如表1所示，設(shè)置初始溫度為300K，電芯與極耳的壁面在自然條件下對流換熱系數(shù)設(shè)置為5W/（m2·K），設(shè)置電池電壓和溫度監(jiān)測，時間步數(shù)設(shè)為50，單位步長為30s，分別以1C、3C、5C、7C的放電倍率進(jìn)行單體電芯溫度場仿真，經(jīng)計(jì)算得出各放電倍率下單體電芯的壁面溫度云圖、電壓特性曲線和溫度特性曲線，如圖2、3、4所示。
4.2 不同放電倍率下的仿真結(jié)果
從圖2可以得到在1C、3C、5C和7C放電倍率下的電池最低溫度和最高溫度以及溫差的對比數(shù)據(jù)，如表2所示。
因?yàn)殡姵胤烹姇r大部分熱量由電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，小部分熱量由內(nèi)阻熱產(chǎn)生，熱量以熱傳導(dǎo)的形式向外擴(kuò)散，電芯各方向?qū)嵯禂?shù)不同，所以電池最高溫度位于電芯中間，最低溫度位于極耳附近。由表2可知，隨著放電倍率的增大，單體電芯最高溫度、最低溫度、溫差都隨之相應(yīng)增大。在7C放電倍率下，單體電芯溫差最大，為1.81K。
由圖3可知，隨著放電倍率的逐漸增大，電池放電終止電壓逐漸降低，放電終止時間逐漸減小，放電電壓曲線的斜率不斷增大，電池電量耗盡時間逐漸減小。由圖4可知，隨著放電倍率的逐漸增大，電池放電終止溫度逐漸升高，斜率增大，電池升溫速度加快。
4.3 仿真結(jié)果分析
從鋰離子電池在不同的放電倍率下進(jìn)行的放電生熱分析仿真結(jié)果看出，當(dāng)放電倍率增大時，電池的電壓初始電壓和終止電壓減低，電池電壓下降速度加快，電池內(nèi)阻增大，電池內(nèi)部生熱量隨之增大，導(dǎo)致電池各部分產(chǎn)生的溫度和溫差增大。若以更大放電倍率對電池進(jìn)行放電，或?qū)㈦姵卮?lián)組成電池包放電使用時，將可能導(dǎo)致電池溫度超過電池的合理工作溫度范圍，如果不及時采取適當(dāng)?shù)纳岽胧?，將影響電池的正常放電工作，并且會危害到電池的使用壽命，甚至出現(xiàn)熱失控等安全隱患。
5 結(jié)束語
1）隨著鋰離子電池放電倍率的增大，電池的終止電壓降低，電量下降速度加快，電池的最低與最高溫度增大，溫差也增大。
2）對鋰離子電池進(jìn)行不同放電倍率下的溫度仿真得出，電池中心部分溫度最高，極耳部分溫度最低，由此可根據(jù)不同放電倍率下的溫度變化進(jìn)行對電池包的結(jié)構(gòu)散熱進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化。
3）在進(jìn)行電池1C、3C、5C的放電倍率放電時，電池溫度逐漸升高，但都低于40℃，以7C放電倍率進(jìn)行放電時電池最低溫度和最高溫度都超過電池放電的合理工作范圍，此時需及時采取散熱措施，保證電池使用壽命。
基金項(xiàng)目：廣東省攀登計(jì)劃科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)（項(xiàng)目編號：pdjh2020a0820）。
參考文獻(xiàn)：
[1]閆凱，楚金甫，陳西山，古偉鵬，常樂.純電動車用動力電池系統(tǒng)溫度場特性的數(shù)值研究[J].時代汽車，2018（02）：35-37.
[2]周慶輝，陳展，劉少楠.基于Fluent的鋰離子動力電池的熱分析[J].北京建筑大學(xué)學(xué)報(bào)， 2017，33（03）：33-37+65.
[3]李甜甜. 電動汽車鋰離子電池?zé)崽匦苑治黾吧醿?yōu)化[D]. 南昌大學(xué)， 2016.
[4]田華，王偉光，舒歌群，嚴(yán)南華.基于多尺度、電化學(xué)-熱耦合模型的鋰離子電池生熱特性分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與工程技術(shù)版）， 2016， 49（07）：734-741.
[5]方雄燦. 電動汽車鋰離子電池組熱特性分析及電池箱體散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].合肥工業(yè)大學(xué)， 2017.
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