【《不同放电倍率下的单体电池的模拟仿真建模分析案例》1700字】

PAGE8不同放电倍率下的单体电池的模拟仿真建模分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u2277不同放电倍率下的单体电池的模拟仿真建模分析案例 1107871.1锂离子电池单体建模 1273371.2锂离子单体电池各热物性参数 2172591.3网格划分和边界条件设置 347871.4结果与分析 5锂离子单体电池和电池包的温升问题是纯电动车能安全运行的关键，所以需要对电池进行温度场的仿真分析，观察其内部温度的分布和变化情况。锂离子电池内部较为复杂，主要由中心区域、正负极耳和外壳组成，为了方便建模与计算，本文忽略了一些对模拟结果影响不大的因素。另外，对锂离子电池做出如下假设：（1）电池的热物参数如：密度、比热容以及热导率等始终保持不变；（2）电池内部紧密压实，热辐射忽略不计；（3）电池各处密度均匀，各方向上产生的热量相同；（4）单体电池放电过程中内阻为定值，且无副反应发生。1.1锂离子电池单体建模从资源可持续性、降低成本、提高综合技术经济性等方面考虑，锰酸锂电池有望占据更大的市场份额。本文正是选用锰酸锂电池作为研究对象，电池的主要参数数据如表3-1所示。表3-1锰酸锂电池结构参数参数名称数值标称电压1.2V标称容量22Ah工作电压范围1.0~4.2V电池内阻<10能量密度460重量1.65kg外观尺寸124mm25mm54mm工作温度范围-40~50℃通过三维建模软件Catia建立上述单体几何模型，忽略其内部的层叠结构后，如图3-1所示。图3-1单体电池三维模型1.2锂离子单体电池各热物性参数电池的热物性参数主要为密度、比热容、导热率和生热速率等，下表3-2为锰酸锂电池各部分的热物性参数。组成部分材料密度（）比热容（）导热系数（）负极耳铜8975.6381.5387.6正极耳铝2710871.5202.4外壳铝2719871202.4隔膜PVC6381200.38正极材料锰酸锂41021650.12负极材料石墨2250710129电池内芯—1925847.3X:5.7Y:5.7Z:1计算公式：（1）密度 （3-1）其中为密度，单位；为比热容，单位；为电池中各部分材料的质量与相对部分比热容的乘积。（2）比热容 （3-2）其中，和为电池比热容和电池中某种材料的比热容，单位；m和为电池总质量和某种材料的质量。（3）导热系数采用层叠式锂离子电池导热系数进行估算，加权平均数法进行计算，如图3-2所示。图3-2层叠式锂离子电池内部结构 （3-3）其中，分别为电池沿X、Y、Z坐标轴的导热系数，单位；为材料的导热系数；为电池中某一层的截面积，单位；为某一层的厚度，单位m。1.3网格划分和边界条件设置将建好的单体锂离子电池模型导入ANSYSWorkbench自带的ICEMCFD软件中，首先进行拓扑检查模型是否存在问题，接着对各部分进行命名：正负极、内核和交界面，完成之后进行网格的划分，选择四面体网格并设置基础尺寸为1，如图3-3所示，得到模型总的网格数为1343979个，节点数为241554个。图3-3电池网格模型将ICEMCFD划分好的单体锂离子电池模型导入Fluent中，进行边界条件和求解器的设置，具体步骤如下：（1）仿真基本设置设置单位为℃，由于没有流体，无需考虑重力，物理模型选择打开能量方程，主要设置固体的材料，按表3-2所示参数进行比热容、密度的设置，设置内核时选择各向异性，如图3-4所示。图3-4仿真计算基本设置（2）区域和边界条件设置在区域设置0.5C放电倍率下的正负极耳和内核的生热速率，分别选择其对应壁面并设置室内温度为26℃，与空气接触面对流换热系数为4，如图3-5所示。图3-5边界条件设置对1C和2C分别进行设置，采用与0.5C相同的模型，只需改变各放电倍率，具体参数如下表3-3所示。表3-3生热速率放电倍率正极生热速率负极生热速率内核生热速率0.5C427326452381.81C17232104849350.52C684294227936844.11.4结果与分析基于上文所设置的相应边界条件，将锂离子电池的工作环境温度设为26℃，分别进行0.5C、1C、2C三种恒流放电倍率下的温度场仿真，得到的电池表面和中心截面的温度分布云图如图3-6与3-7所示。（a）0.5C（b）1C（c）2C图3-6不同放电倍率下电池表面温度分布云图（a）0.5C（b）1C（c）2C图3-7不同放电倍率下电池中心截面温度分布云图整体可以看出，不同放电倍率下电池前后表面的中心区域温度高于其它位置，温度由中心向电池边缘呈梯度向外扩散。当电池在0.5C、1C、2C放电结束时，最高温度分别为31.49℃、47.63℃、111.25℃、最低温度分别为31.2℃、46.53℃、106.88℃、温升分别为5.49℃、21.63℃、85.25℃、最大温差分别为0.29℃、1.1℃、4.37℃，如表3-4所示。由仿真结果可知，放电倍率越大，电池的温升和温差就越大，为了保证电池使用时的安全性，应采取散热措施来对电池进行散热，提高电池的温度均匀性。