電動汽車單體鋰離子電池熱仿真分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8631電動汽車單體鋰離子電池熱仿真分析案例 189101.1CFD基礎(chǔ)理論 1195541.1.1CFD概述 1319471.1.2CFD控制方程 123211.1.3CFD求解流程 3237841.2鋰離子單體電池仿真分析 3173711.2.1Fluent軟件簡介 3169721.2.2幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分 4238161.3單體電池仿真結(jié)果與實驗對比 6314491.1.1不同放電倍率的單體電池仿真 617361.1.2實驗對比和模型驗證 7257371.4小結(jié) 7電動汽車的動力來源是動力電池組，而動力電池組的組成就是由大量的單體電池串聯(lián)和并聯(lián)所形成的。單體電池在充放電時會隨著時間而生熱量加大，從而導致鋰離子電池的溫度提升。為了使電池組溫度分布均勻，不受任意一個單體電池影響整體性能，因此可以先對單體鋰離子電池的發(fā)熱情況進行研究。本章通過先建立單體鋰離子電池模型，然后利用CFD軟件進行仿真，通過單體鋰電池在不同放電倍率的情況下的溫度變化得出結(jié)論。1.1CFD基礎(chǔ)理論1.1.1CFD概述計算流體力學簡稱CFD，是一門新興交叉學科，由計算機科學和流體力學相互結(jié)合，近幾十年來計算機得到了快速的發(fā)展與崛起，CFD也得到了快速的發(fā)展，并且不僅僅運用在流體力學的科學實驗中還慢慢運用到工程及眾多領(lǐng)域中，比如汽車工程、航天航空、船舶等其它領(lǐng)域。它可以通過計算機來對某些流體力學中的流體流動和熱傳遞等進行模擬仿真并且計算求解流體力學中的控制方程，最終通過計算結(jié)果和數(shù)值分析且可以以圖像的方式顯示出來。因為運用CFD軟件的成本低且能模擬較為復雜的過程，所以它在很大的程度上可以代替一些費用較為昂貴的實驗，對于流體力學的研究有很大的幫助及重要的影響。1.1.2CFD控制方程在運用CFD軟件仿真時，計算流體力學應遵循以下大三基本控制方程：質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。質(zhì)量守恒方程質(zhì)量守恒方程也稱作連續(xù)性方程，表示單位時間內(nèi)微元體中流體質(zhì)量的增加等于同一時間間隔內(nèi)流入該元體的凈質(zhì)量。其數(shù)學表達式如式(3-1)所示： ?ρ?t+式中，ρ表示流體的密度，單位為kg/m3；t表示時間，單位為s；u、v、w表示在x軸、y軸、z軸三個方向上的速度矢量分量。在鋰離子電池熱管理系統(tǒng)中，本文主要對空氣和冷卻液的流動進行研究，其可以當作不可壓縮流體處理，其質(zhì)量守恒方程可化簡為： ?u?x+動量守恒方程動量守恒定律是牛頓第二定律在流體力學中的另一種表達方式，表示微元體中流體動量的增加率等于作用在微元體上各種力之和。x、y、z三個方向上的動量守恒方程分別如下所示： ? =ρFx ? =ρFy ? =ρFz式中，F(xiàn)x、Fy、Fz表示作用在x、y、z三個方向上的質(zhì)量力的分量，單位為N；p表示流體微元體所受到的壓力，單位為Pa；τxx、τyx能量守恒方程能量守恒方程表示流體微團內(nèi)能變化率等于流入微團的凈熱流量加上體積力和表面力對流體微團的做功的功率之和。其數(shù)學表達式如式(3-6)所示： ? =??x式中，T為溫度，單位為K；cp為比熱容，單位為J/kg·K；k為流體導熱系數(shù)，單位為W/m·K；ST為粘性耗散項。1.1.3CFD求解流程利用CFD技術(shù)模擬動力電池組冷卻系統(tǒng)流體分析可分為三步:前處理器、求解計算、后處理器。其中，前處理主要的作用是先建立幾何模型，然后對模型進行網(wǎng)格劃分，再對流體或固體定義邊界條件、初始條件等設定。在網(wǎng)格劃分后對網(wǎng)格進行質(zhì)量檢測且輸入準確的邊界條件可以得到更準確的計算結(jié)果；求解器的主要作用是確定CFD方法的控制方程、選擇離散方程進行離散、選擇數(shù)值計算方法、輸入流體的相關(guān)屬性參數(shù)。根據(jù)不同的離散程度，CFD求解的方法可以分為有限單元法、有限差分法和有限體積法這三種，有限體積法又叫控制體積法是CFD軟件目前常用的求解方法；后處理的作用是在CFD軟件通過計算機的計算分析后，對計算得到的數(shù)據(jù)，如壓力場、溫度場等數(shù)據(jù)參數(shù)進行可視化處理，通過矢量圖、標量圖、網(wǎng)格圖、曲線圖、幾何圖等方式展現(xiàn)。計算流體力學的基本求解過程框圖如圖3-1所示。圖1.1計算流體力學基本求解框圖1.2鋰離子單體電池仿真分析1.2.1Fluent軟件簡介在現(xiàn)如今的計算流體動力學領(lǐng)域最前沿的CFD軟件包中，F(xiàn)luent一直是商用CFD軟件包的核心模塊，并完全集成了CFD數(shù)值模擬技術(shù)的求解思想。它可以通過對應的計算方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，提高復雜流場域流體流動特性的收斂速率和求解精度。Fluent對于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格擁有極為強大適應性和靈活性，在針對不同的幾何模型時，不僅可以通過軟件自身所集成的前處理器Mesh進行邊界條件的命名及建模并進行網(wǎng)格的自動化分，而且也支持所有的CAD軟件文件進行雙向關(guān)聯(lián)。1.2.2幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分(1)幾何模型本文對18650型鋰離子電池進行研究，它的名字就是根據(jù)它的尺寸大小定義，是?18mm×65mm的單體電池，而0就是代表該電池是一個圓柱形電池。因為電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)極為復雜，且計算機的模擬計算水平有限，無法根據(jù)實際情況完全模擬出電池的工作情況，所以需要對電池進行簡化建模。通過Spaceclaim建模軟件建立18650型單體鋰離子電池的簡化模型。其模型如圖3-2所示。圖3-2單體鋰離子電池模型(2)網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是分析中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，網(wǎng)格的好壞直接影響到整個分析結(jié)果的精確性，一般來說網(wǎng)格越多結(jié)果越準確，不過同時也會增加它的計算速度。對于前面建立好的三維模型保存成stp格式文件導入到WorkbenchMeshing中，Workbench不僅擁有著強大的網(wǎng)格劃分能力，并且相較于其他網(wǎng)格軟件如ICEM、GAMBIT等具有強大的幾何處理能力。網(wǎng)格類型的選擇有兩種，可以分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格又可稱之為六面體或四邊形網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格被稱為四面體或三角形網(wǎng)格，圖3-3為結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的存在形式。（a）結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（b）非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格圖3-3網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格優(yōu)點是網(wǎng)格生成的速度快、質(zhì)量好、劃分網(wǎng)格簡單、計算精度高，適用于結(jié)構(gòu)簡單的幾何模型。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)點是網(wǎng)格節(jié)點分布隨意，具有靈活性，適用于較為復雜的幾何模型，但它計算的時間久并且迭代次數(shù)多。本文采用的是圓柱形的單體鋰離子電池，建模時對結(jié)構(gòu)進行了簡化，所以在對網(wǎng)格劃分時使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。單體電池網(wǎng)格模型如圖3-4所示。圖3-4單體電池網(wǎng)格模型1.3單體電池仿真結(jié)果與實驗對比1.1.1不同放電倍率的單體電池仿真在完成單體電池的網(wǎng)格劃分后，可以對模型設置邊界條件并將第二章中計算得出的物性參數(shù)設置到軟件中，設置電池的外部接觸面為自然對流，環(huán)境溫度為37℃。根據(jù)前面的電池產(chǎn)熱機理和傳熱特性可以得知，電池是由不同的環(huán)境溫度和電池的熱特性兩者同時的影響下產(chǎn)生溫度的變化。所以不同的環(huán)境溫度會導致電池溫度的變化；電池的產(chǎn)熱是由電池的不同放電倍率所影響，在相同的環(huán)境溫度下，越大的放電倍率會加快電池的升溫速度。所以本節(jié)就對電池處于相同環(huán)境溫度的情況下對不同的放電倍率進行仿真，觀察它的溫度變化情況并對結(jié)果與實驗進行對比。在環(huán)境溫度為37℃，邊界條件為自然對流換熱，周圍空氣平均流速1.66m/s的情況下0.5C和2C這兩種不同放電倍率的電池截面溫度云圖如圖3-5所示。（a）0.5C（b）2C圖3-5不同放電倍率下電池截面溫度分布圖圖3-5展示了t=1200s時，電池在相同情況下不同放電倍率的溫度分布圖，從圖中可以看出電池放電倍率為0.5C時最高溫度為38.4℃，且電池內(nèi)部的溫差不大，隨著時間的增加電池的溫度也不會再有很大的變化；電池放電倍率為2C時最高溫度達到了57.9℃，這已經(jīng)大大的超出了鋰離子電池的最佳工作溫度區(qū)間，并且單體電池的溫差也達到了0.5℃。由此可以得出，電池的放電倍率越大它的產(chǎn)熱量也就越多，從而導致電池的溫度更高。在2C的放電倍率時，電池的產(chǎn)熱量變多，溫度也快速的提升，所以要對電池進行有效的熱管理防止其發(fā)生溫度過高的問題。1.1.2實驗對比和模型驗證Xie等[25]對18650電池進行了不同環(huán)境溫度、不同放電倍率條件下電池的溫升實驗，得到了圓柱電池外壁面母線中點的溫度變化曲線。為了驗證簡化后的電池產(chǎn)熱模型是否正確，選擇了與之實驗條件相同的仿真條件，即周圍空氣平均流速1.66m/s。當環(huán)境溫度為37℃電池以2C倍率放電時，模型結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比如圖3-6所示。由圖可知，仿真結(jié)果相比于實驗結(jié)果基本相同，數(shù)據(jù)誤差控制在10%以內(nèi)，證明該仿真模型的可靠性。仿真結(jié)果之所以與實驗結(jié)果產(chǎn)生差異，除了實驗測量的本身誤差外，主要是因為仿真模型忽略了電池的正極極耳、端蓋、外裹PVC材料、絕緣片等，這些結(jié)構(gòu)的導熱性能比中心發(fā)熱區(qū)更好，能使得熱量散發(fā)得更快，所以實際結(jié)果會小于仿真結(jié)果。另一方面，電池在升溫的時候內(nèi)阻會略有減小，即實際產(chǎn)熱量會比簡化的模型更小。圖3-6模型結(jié)果與實驗對比1.4小結(jié)本章首先介紹了計算流體力學仿真的相關(guān)理論，并闡述了CFD的控制方程和求解流程，并在Spaceclaim建模軟件中建立了單體鋰電池的簡化模型，然后通過WorkbenchMeshing軟件進行網(wǎng)格劃分，最后通過仿真0.5C和2C兩種不同放