單體鋰離子電池的熱仿真分析方法

1、單體鋰離子電池的熱仿真分析方法發(fā)布時(shí)間：15/04/2812:58:54瀏覽：527次今天正好有些時(shí)間，想起前段時(shí)間以來(lái)有網(wǎng)友問(wèn)我關(guān)于鋰離子電池單體如何分析，下列就ansys軟件，簡(jiǎn)單的說(shuō)下過(guò)程及注意事項(xiàng)。過(guò)熱的危害首先應(yīng)會(huì)從單體電池的角度闡述過(guò)熱的危害，我簡(jiǎn)單的說(shuō)一下：電池的組成部分包含電解液、正負(fù)極材料、隔膜，銅鋁箔等各種材料，溫度過(guò)高會(huì)加速電池的老化速率，當(dāng)電池的溫度如果超過(guò)120c，首先隔膜會(huì)收縮，而且正負(fù)極材料也會(huì)發(fā)生分解，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列的熱反應(yīng)，種種問(wèn)題會(huì)造成不安全的因素，因而在電池設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電芯單體的溫度性能，來(lái)確定電池的倍率放電能力。一般來(lái)說(shuō)除了電池內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重的短路

2、，溫度在正常情況下不會(huì)超過(guò)120攝氏度。建議沒(méi)有電化學(xué)基礎(chǔ)的，先了解一下電池的原理及組成，這樣有助于電池幾何體的建模和產(chǎn)熱的行為分析。我們經(jīng)常從網(wǎng)上看到一些圖片關(guān)于單體的溫度性能，如下圖:這樣的分析結(jié)果到底對(duì)不對(duì)呢，如何精確的得到此圖，這需要自己的掌握了。下列以本人在幾年前做的一個(gè)單體的分析來(lái)說(shuō)明過(guò)程:1. 電池參數(shù)獲取導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是關(guān)鍵的兩個(gè)因素首先電池參數(shù)的獲取，下列給大家列出一個(gè)實(shí)例，里面參數(shù)需要大家和電池供應(yīng)商去溝通。MM密J#(kE/3)比陽(yáng)容(J/Krk辱熱茹數(shù):2俸積(T/13)孔陳率MK65319S70,340.42正帶點(diǎn)屋34331720,163&2166145CU鴿03

3、25鋁搭270290323Gms30539S正低(5耳(fS)2700903238員榜根耳(W的$33S5396此圖中的參數(shù)是某款磷酸鐵鋰電池的物性參數(shù)。具體體積數(shù)據(jù)需要計(jì)算測(cè)量。由此數(shù)據(jù)可以計(jì)算電池的比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)，密度等數(shù)據(jù)。首先需要確定電池卷心的結(jié)構(gòu)方式，是層疊式還是卷繞式。比如層疊式，可以數(shù)一下極片的層數(shù)，可以完成體積的測(cè)量。=?T有上式可以確定電池的導(dǎo)熱系數(shù)。關(guān)于比熱容，可以用加權(quán)法來(lái)計(jì)算，這里不再贅述。關(guān)于電池的內(nèi)阻，一般用直流內(nèi)阻來(lái)計(jì)算發(fā)熱量。2. 關(guān)于電池的建模針對(duì)單體模型的建模程序：包含電芯部分（包括正極片、負(fù)極片、隔膜等）作為一個(gè)單元進(jìn)行模型的建立，作為發(fā)熱源。其他部分根

4、據(jù)根據(jù)單體實(shí)際模型與尺寸進(jìn)行建模和設(shè)置相關(guān)個(gè)更變參數(shù)，包含極耳、極柱、殼體等主要傳熱部件。（A）幾何模型1）對(duì)于電芯而言，不再分成一片一片的正負(fù)極單片，而是將整個(gè)電芯擬合為一個(gè)整體來(lái)考慮，其具有新的物性和形狀；2）對(duì)將極耳和正負(fù)電極連接起來(lái)的金屬片而言，根據(jù)單體實(shí)際模型進(jìn)行建模，其物性參數(shù)取當(dāng)量值；3）極耳連接出電極后，各片之間緊密相靠，形成一個(gè)整體，厚度為各片厚度之和；4）電池內(nèi)部空腔部分空氣不考慮其流動(dòng)性，極堆單體之間的液體不考慮流動(dòng)。上圖為國(guó)內(nèi)某公司20Ah磷酸鐵鋰電池的幾何體模型。3. 關(guān)于物理模型假設(shè)1）在充放電過(guò)程中，只考慮直流內(nèi)阻的影響；2）不考慮電池實(shí)際充放電過(guò)程中的體積變化及

5、壓力變化，僅僅考慮電芯、隔膜、極耳、殼體等之間的傳導(dǎo)作用；3）將空氣視為理想氣體，忽略由于溫度、壓力變化引起的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的變化，而視其為定值；4）假設(shè)放電過(guò)程中，無(wú)副反應(yīng)發(fā)生。4. 有限元分析首先網(wǎng)格的劃分要注意最小尺寸，一般電池的外殼一般厚度僅僅1mm,因此在外殼和卷心之間需要做一些接觸，對(duì)此需要計(jì)算資源。關(guān)于對(duì)流換熱系數(shù)，因這里是自然對(duì)流，常規(guī)的數(shù)值510W/m2.K即可。環(huán)境溫度25C。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)的誤差比較小。注：此處最大溫差是電芯中部溫度與表面溫度的實(shí)驗(yàn)組差值!5. 關(guān)于電池的熱源問(wèn)題電池模塊的熱來(lái)源、產(chǎn)熱速率、電池?zé)崛莸扔嘘P(guān)參數(shù)，與電池的本質(zhì)密切相關(guān)。電池放出熱量取決于電池的化學(xué)、機(jī)械、電學(xué)本質(zhì)和特征，特別是電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。電池反應(yīng)中產(chǎn)生的熱能，可以用電池反應(yīng)熱Qr來(lái)表示；電化學(xué)極化使電池實(shí)際電壓偏離其平衡電動(dòng)勢(shì)，而由電池極化引起的能量損失用Qp來(lái)表示。更多的分析，各位可以看看文獻(xiàn)，不過(guò)個(gè)人覺(jué)得非常復(fù)雜，其實(shí)可以簡(jiǎn)化一下，用內(nèi)阻和電池的溫度系數(shù)既可以。6. 總結(jié)一下：fluent軟件和ansys瞬態(tài)熱分析軟件都可以完成分析，只不過(guò)建模有一些區(qū)別，對(duì)于單體的分析，不推薦使用fluent,一般ans