共頁(yè)第28頁(yè)18650鋰離子電池單體模型建立及溫度場(chǎng)仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2217518650鋰離子電池單體模型建立及溫度場(chǎng)仿真分析案例 1187341.118650電池單體的基本參數(shù) 1244321.2電池單體溫度場(chǎng)仿真 2288771.2.1電池單體網(wǎng)格劃分 298501.3FLUENT仿真 2219081.3．1電池單體熱物性參數(shù)的確定、邊界條件及求解控制器的設(shè)置 3285601.1.2鋰離子電池單體生熱的溫度場(chǎng)仿真與分析 5為了模擬仿真分析電池單體工作溫度失控點(diǎn),可以利用相應(yīng)建模軟件對(duì)電池單體進(jìn)行三維建模,進(jìn)而利用相應(yīng)軟件對(duì)建立好的三維模型進(jìn)行仿真,模擬充電/放電工作情況,分析其溫度分布。通過(guò)分析18650電池單體的溫度場(chǎng)分布規(guī)律,可以定向針對(duì)電池散熱提供方案。1.118650電池單體的基本參數(shù)市場(chǎng)上鋰電池電壓有兩種:1.7V和4.2V,其實(shí)都是一樣。只不過(guò)是生產(chǎn)的廠商標(biāo)明的不一樣而已。1.7V電壓是指的就一次電池在正常使用充電過(guò)程達(dá)到的正常工作電壓,而4.2V電壓指的是在充電充滿時(shí)電池的上限電壓，在充電達(dá)到此電壓時(shí)會(huì)停止充電。比較常見(jiàn)的18650鋰離子電池，電壓一般標(biāo)1.6V或者1.7V，充滿電的時(shí)候都是4.2V，這跟電池容量關(guān)系不大，18650鋰離子電池的容量從1800mAh到2600mA都有，容量多在2200至2600mAh之間，有些鋰電池的容量甚至有標(biāo)3500甚至4000mAh以上。本論文電池單體如圖所示,其性能指標(biāo)參數(shù)如下表:表3-1電池單體性能指標(biāo)參數(shù)18650鋰離子電池電池尺寸（直徑×高）/mm充電上限電壓/V內(nèi)阻/mΩ：放電終止電壓/V1.7V2Ah18×654.2<1.0（常溫）2.75V為考慮電池單體仿真分析的簡(jiǎn)便以及電池單體網(wǎng)格的質(zhì)量要求，可以將整個(gè)電池簡(jiǎn)化為一個(gè)圓柱體。圖3-1電池單體結(jié)構(gòu)圖1.2電池單體溫度場(chǎng)仿真1.2.1電池單體網(wǎng)格劃分利用FLUENTICEMCFD網(wǎng)格劃分軟件對(duì)電池單體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分有兩種，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的排布是否含有規(guī)律，可以分為結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格。綜合考慮電池單體網(wǎng)格劃分所需要的質(zhì)量以及精度的要求，電池單體的網(wǎng)格劃分是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。將上述建立好的三維模型轉(zhuǎn)換成igs格式導(dǎo)入到ICEM中，設(shè)置全局最大網(wǎng)格尺寸為1mm，采用四面體網(wǎng)格劃分對(duì)電池模組三維模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分完成后還需要對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，網(wǎng)格質(zhì)量必須在0.2以上，對(duì)于尺寸比較細(xì)小的part可以單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)格加密，將需要加密的part輸入最大尺寸值。其結(jié)果如圖:圖3-2電池單體網(wǎng)格圖1.3FLUENT仿真網(wǎng)格劃分完成后將其保存成mesh文件，通過(guò)ANSYS系列軟件中的FLUENT軟件進(jìn)行仿真。進(jìn)行仿真前需要確定每一個(gè)part對(duì)應(yīng)的部件，因?yàn)檫M(jìn)行材料設(shè)計(jì)和邊界條件設(shè)計(jì)時(shí)不能出錯(cuò)，否則仿真結(jié)果不符合。1.3．1電池單體熱物性參數(shù)的確定、邊界條件及求解控制器的設(shè)置熱物性參數(shù)的選取：電池單體的參數(shù)有密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)。圓柱形電池單體其導(dǎo)熱系數(shù)具有各向異性，內(nèi)部熱量沿半徑r方向、周向q方向的傳遞可看成是并聯(lián)方式的傳遞；而沿軸向z方向的傳遞可看作是串聯(lián)方式的傳遞,電池的密度為242.3kg/m3，比熱容為970J/(kg·K)，沿半徑、周向和軸向的導(dǎo)熱系數(shù)分別為3W/(m·K)、3W/(m·K)和6W/(m·K)。電池單體的能量密度Q可以根據(jù)公式計(jì)算得出，公式為：Q=I式子中I為放電電流，單位為A；R為電池內(nèi)阻，單位是Ω；Vb是電池體積，單位為m3；本次分析的鋰離子電池采用1C倍率放電，電流為2A，內(nèi)阻取1mA，帶入公式得內(nèi)熱源為241.8W/m3。其數(shù)據(jù)整理如下表[15]：表3-2電池單體參數(shù)表材料密度ρ/（kg/m3）平均比熱容Cp導(dǎo)熱系數(shù)λ（W/m·K）電池單體2962970半徑r方向:3周向q方向:3z方向:30壁面邊界條件的設(shè)定：①電池單體壁面上的溫度為300K;②壁面無(wú)滑移的邊界條件：U=V=W=0；③壁面自然對(duì)流系數(shù)為10W/m2·K；④壁面絕熱邊界條件：?T?n=0，也就是壁面上熱流密度為0⑤壁面無(wú)反射條件；在FLUENT中的設(shè)置如圖所示：圖3-3壁面邊界條件的設(shè)定求解控制器方式的選擇亞松弛因子的設(shè)置：因?yàn)樵诂F(xiàn)代流體力學(xué)中我們需要求解方程,方程為非線性微分方程,所以求解時(shí)要控制變量的變化，松弛因子是來(lái)控制每個(gè)迭代步內(nèi)所計(jì)算的流場(chǎng)變量的一個(gè)加速迭代收斂的參數(shù)，變量的最新值等于原來(lái)值與變化量之和再乘上松弛因子。在很多數(shù)情況下，可在啟動(dòng)ANSYS的FLUENT時(shí)采用系統(tǒng)默認(rèn)的值，在計(jì)算一定步數(shù)后，可通過(guò)觀察殘差的變化情況來(lái)調(diào)整亞松弛因子的數(shù)值，當(dāng)顯示的殘差增大時(shí)就應(yīng)減小它的值，相反，就增大它的數(shù)值。電池單體模型可以采用亞松弛因子的默認(rèn)值。求解控制器的設(shè)定：由于此仿真模型為電池單體生熱模型，其中的求解計(jì)算為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算，所以采用SIMPLE或者SIMPLEC離散算法。在SpatialDiscretization（空間離散化）選項(xiàng)下，Pressure（壓力）項(xiàng)選擇Standard，動(dòng)量和能量項(xiàng)選擇FirstOrderUpwind,具體的設(shè)置如圖所示；圖3-4求解控制器方式的選擇和亞松弛因子的設(shè)置1.1.2鋰離子電池單體生熱的溫度場(chǎng)仿真與分析環(huán)境溫度300K時(shí)、1C恒流放電，鋰離子電池的表面及中心截面的溫度云圖如圖所示。圖3—51C放電結(jié)束時(shí)溫度場(chǎng)云圖從仿真云圖可以看出：(1)鋰離子電池單體的中心截面溫度云圖大致呈橢圓狀分布，這是由于電池導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性決定的，電池在軸向的導(dǎo)熱系數(shù)較大，熱傳導(dǎo)能力強(qiáng)。(2)鋰離子單體的最高溫度出現(xiàn)在其中心部位，為