PAGE8不同放電倍率下的單體電池的模擬仿真建模分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u2277不同放電倍率下的單體電池的模擬仿真建模分析案例 1107871.1鋰離子電池單體建模 1273371.2鋰離子單體電池各熱物性參數(shù) 2172591.3網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置 347871.4結(jié)果與分析 5鋰離子單體電池和電池包的溫升問(wèn)題是純電動(dòng)車(chē)能安全運(yùn)行的關(guān)鍵，所以需要對(duì)電池進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真分析，觀(guān)察其內(nèi)部溫度的分布和變化情況。鋰離子電池內(nèi)部較為復(fù)雜，主要由中心區(qū)域、正負(fù)極耳和外殼組成，為了方便建模與計(jì)算，本文忽略了一些對(duì)模擬結(jié)果影響不大的因素。另外，對(duì)鋰離子電池做出如下假設(shè)：（1）電池的熱物參數(shù)如：密度、比熱容以及熱導(dǎo)率等始終保持不變；（2）電池內(nèi)部緊密壓實(shí)，熱輻射忽略不計(jì)；（3）電池各處密度均勻，各方向上產(chǎn)生的熱量相同；（4）單體電池放電過(guò)程中內(nèi)阻為定值，且無(wú)副反應(yīng)發(fā)生。1.1鋰離子電池單體建模從資源可持續(xù)性、降低成本、提高綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，錳酸鋰電池有望占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。本文正是選用錳酸鋰電池作為研究對(duì)象，電池的主要參數(shù)數(shù)據(jù)如表3-1所示。表3-1錳酸鋰電池結(jié)構(gòu)參數(shù)參數(shù)名稱(chēng)數(shù)值標(biāo)稱(chēng)電壓1.2V標(biāo)稱(chēng)容量22Ah工作電壓范圍1.0~4.2V電池內(nèi)阻<10能量密度460重量1.65kg外觀(guān)尺寸124mm25mm54mm工作溫度范圍-40~50℃通過(guò)三維建模軟件Catia建立上述單體幾何模型，忽略其內(nèi)部的層疊結(jié)構(gòu)后，如圖3-1所示。圖3-1單體電池三維模型1.2鋰離子單體電池各熱物性參數(shù)電池的熱物性參數(shù)主要為密度、比熱容、導(dǎo)熱率和生熱速率等，下表3-2為錳酸鋰電池各部分的熱物性參數(shù)。組成部分材料密度（）比熱容（）導(dǎo)熱系數(shù)（）負(fù)極耳銅8975.6381.5387.6正極耳鋁2710871.5202.4外殼鋁2719871202.4隔膜PVC6381200.38正極材料錳酸鋰41021650.12負(fù)極材料石墨2250710129電池內(nèi)芯—1925847.3X:5.7Y:5.7Z:1計(jì)算公式：（1）密度 （3-1）其中為密度，單位；為比熱容，單位；為電池中各部分材料的質(zhì)量與相對(duì)部分比熱容的乘積。（2）比熱容 （3-2）其中，和為電池比熱容和電池中某種材料的比熱容，單位；m和為電池總質(zhì)量和某種材料的質(zhì)量。（3）導(dǎo)熱系數(shù)采用層疊式鋰離子電池導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行估算，加權(quán)平均數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，如圖3-2所示。圖3-2層疊式鋰離子電池內(nèi)部結(jié)構(gòu) （3-3）其中，分別為電池沿X、Y、Z坐標(biāo)軸的導(dǎo)熱系數(shù)，單位；為材料的導(dǎo)熱系數(shù)；為電池中某一層的截面積，單位；為某一層的厚度，單位m。1.3網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置將建好的單體鋰離子電池模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench自帶的ICEMCFD軟件中，首先進(jìn)行拓?fù)錂z查模型是否存在問(wèn)題，接著對(duì)各部分進(jìn)行命名：正負(fù)極、內(nèi)核和交界面，完成之后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，選擇四面體網(wǎng)格并設(shè)置基礎(chǔ)尺寸為1，如圖3-3所示，得到模型總的網(wǎng)格數(shù)為1343979個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為241554個(gè)。圖3-3電池網(wǎng)格模型將ICEMCFD劃分好的單體鋰離子電池模型導(dǎo)入Fluent中，進(jìn)行邊界條件和求解器的設(shè)置，具體步驟如下：（1）仿真基本設(shè)置設(shè)置單位為℃，由于沒(méi)有流體，無(wú)需考慮重力，物理模型選擇打開(kāi)能量方程，主要設(shè)置固體的材料，按表3-2所示參數(shù)進(jìn)行比熱容、密度的設(shè)置，設(shè)置內(nèi)核時(shí)選擇各向異性，如圖3-4所示。圖3-4仿真計(jì)算基本設(shè)置（2）區(qū)域和邊界條件設(shè)置在區(qū)域設(shè)置0.5C放電倍率下的正負(fù)極耳和內(nèi)核的生熱速率，分別選擇其對(duì)應(yīng)壁面并設(shè)置室內(nèi)溫度為26℃，與空氣接觸面對(duì)流換熱系數(shù)為4，如圖3-5所示。圖3-5邊界條件設(shè)置對(duì)1C和2C分別進(jìn)行設(shè)置，采用與0.5C相同的模型，只需改變各放電倍率，具體參數(shù)如下表3-3所示。表3-3生熱速率放電倍率正極生熱速率負(fù)極生熱速率內(nèi)核生熱速率0.5C427326452381.81C17232104849350.52C684294227936844.11.4結(jié)果與分析基于上文所設(shè)置的相應(yīng)邊界條件，將鋰離子電池的工作環(huán)境溫度設(shè)為26℃，分別進(jìn)行0.5C、1C、2C三種恒流放電倍率下的溫度場(chǎng)仿真，得到的電池表面和中心截面的溫度分布云圖如圖3-6與3-7所示。（a）0.5C（b）1C（c）2C圖3-6不同放電倍率下電池表面溫度分布云圖（a）0.5C（b）1C（c）2C圖3-7不同放電倍率下電池中心截面溫度分布云圖整體可以看出，不同放電倍率下電池前后表面的中心區(qū)域溫度高于其它位置，溫度由中心向電池邊緣呈梯度向外擴(kuò)散。當(dāng)電池在0.5C、1C、2C放電結(jié)束時(shí)，最高溫度分別為31.49℃、47.63℃、111.25℃、最低溫度分別為31.2℃、46.53℃、106.88℃、溫升分別為5.49℃、21.63℃、85.25℃、最大溫差分別為0.29℃、1.1℃、4.37℃，如表3-4所示。由仿真結(jié)果可知，放電倍率越大，電池的溫升和溫差就越大，為了保證電池使用時(shí)的安全性，應(yīng)采取散熱措施來(lái)對(duì)電池進(jìn)行散熱，提高電池的溫度均勻性。