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单体锂离子电池的热仿真分析方法

微型电动车2020-06-29 16:05:36

本文来源:电动汽车网,作者:大唐


今天正好有些时间,想起前段时间以来有网友问我关于锂离子电池单体如何分析,下列就ansys软件,简单的说下过程及注意事项。
过热的危害
首先应会从单体电池的角度阐述过热的危害,我简单的说一下:
电池的组成部分包含电解液、正负极材料、隔膜,铜铝箔等各种材料,温度过高会加速电池的老化速率,当电池的温度如果超过120℃,首先隔膜会收缩,而且正负极材料也会发生分解,电池内部会发生一系列的热反应,种种问题会造成不安全的因素,因而在电池设计时需要考虑电芯单体的温度性能,来确定电池的倍率放电能力。
一般来说除了电池内部发生严重的短路,温度在正常情况下不会超过120摄氏度。
建议没有电化学基础的,先了解一下电池的原理及组成,这样有助于电池几何体的建模和产热的行为分析。

我们经常从网上看到一些图片关于单体的温度性能,如下图:



这样的分析结果到底对不对呢,如何精确的得到此图,这需要自己的掌握了。

下列以本人在几年前做的一个单体的分析来说明过程:

1.电池参数获取
导热系数和比热容是关键的两个因素
首先电池参数的获取,下列给大家列出一个实例,里面参数需要大家和电池供应商去沟通。


此图中的参数是某款磷酸铁锂电池的物性参数。具体体积数据需要计算测量。
由此数据可以计算电池的比热容,导热系数,密度等数据。
首先需要确定电池卷心的结构方式,是层叠式还是卷绕式。比如层叠式,可以数一下极片的层数,可以完成体积的测量。



有上式可以确定电池的导热系数。
关于比热容,可以用加权法来计算,这里不再赘述。
关于电池的内阻,一般用直流内阻来计算发热量。

2.关于电池的建模

  针对单体模型的建模程序:包含电芯部分(包括正极片、负极片、隔膜等)作为一个单元进行模型的建立,作为发热源。其他部分根据根据单体实际模型与尺寸进行建模和设置相关个更变参数,包含极耳、极柱、壳体等主要传热部件。

  (A)几何模型

  1)对于电芯而言,不再分成一片一片的正负极单片,而是将整个电芯拟合为一个整体来考虑,其具有新的物性和形状;

  2) 对将极耳和正负电极连接起来的金属片而言,根据单体实际模型进行建模,其物性参数取当量值;

  3) 极耳连接出电极后,各片之间紧密相靠,形成一个整体,厚度为各片厚度之和;

  4)电池内部空腔部分空气不考虑其流动性,极堆单体之间的液体不考虑流动。

  


上图为国内某公司20Ah 磷酸铁锂电池的几何体模型。


3.关于物理模型假设

  1) 在充放电过程中,只考虑直流内阻的影响;

  2) 不考虑电池实际充放电过程中的体积变化及压力变化,仅仅考虑电芯、隔膜、极耳、壳体等之间的传导作用;

  3) 将空气视为理想气体,忽略由于温度、压力变化引起的比热和导热系数的变化,而视其为定值;

  4) 假设放电过程中,无副反应发生。


4.有限元分析

  首先网格的划分要注意最小尺寸,一般电池的外壳一般厚度仅仅1mm,因此在外壳和卷心之间需要做一些接触,对此需要计算资源。关于对流换热系数,因这里是自然对流,常规的数值5~10W/m2.K即可。环境温度25℃。


对比发现,仿真和实验的误差比较小。

  


注:此处最大温差是电芯中部温度与表面温度的实验组差值!


5.关于电池的热源问题

电池模块的热来源、产热速率、电池热容等有关参数,与电池的本质密切相关。电池放出热量取决于电池的化学、机械、电学本质和特征,特别是电化学反应的本质。电池反应中产生的热能,可以用电池反应热Qr来表示;电化学极化使电池实际电压偏离其平衡电动势,而由电池极化引起的能量损失用Qp来表示。更多的分析,各位可以看看文献,不过个人觉得非常复杂,其实可以简化一下,用内阻和电池的温度系数既可以。


6.总结一下

fluent软件和ansys 瞬态热分析软件都可以完成分析,只不过建模有一些区别,对于单体的分析,不推荐使用fluent,一般ansys自带的稳态和瞬态热分析也比较方便,而且边界条件的施加简单。

如果需要计算极柱的温度特性,在模型建立和网格划分过程中,需要单独对其处理,后期热源的添加需要综合考虑极柱次材料的内阻。


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