【《锂离子电池单体热仿真分析及CFD热模型验证分析案例》4400字】

锂离子电池单体热仿真分析及CFD热模型验证分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u28077锂离子电池单体热仿真分析及CFD热模型验证分析案例 185141.1锂离子电池仿真模型建立 185081.2锂离子电池的热物性参数的计算 2266431.2.1电池的密度 2149581.2.2电池的比热容 374651.2.3电池的导热系数 3154231.2.4电池的生热速率 3192231.3锂离子电池单体仿真分析 4216221.3.1几何模型构建 5266491.3.2网格划分 5270421.3.3仿真计算步骤 732311.3.4后处理 10220291.4电池单体仿真结果分析 1199831.5电池单体CFD模型验证 1279721.6电池模组CFD模型验证 12锂离子电池放热的情况下，需要考虑的内部因素比较复杂，要计算出电池密度、比热容、发热速率等热参数来确定单体电池产热时的温度分布情况，，故需要从单体电池的热仿真分析入手，在第三章提到的热特性分析方法与热效应理论的前提下，为模组散热研究与设计提供理论依据。同时需要对仿真的结果进行实验验证，以确保仿真结果的真实性与可行度。1.1锂离子电池仿真模型建立本文设计研究对象为NCR18650B型电池，作为一款18650型的圆柱电池，其内部材料以一定顺序缠绕为电芯单体，由第二章可知，每种材料的性能不同，按照正常建模来仿真困难，故在仿真时需要在合理的条件下，将电池单体简化为一个整体密度均匀，发热场均匀的实心圆柱体。电池的数值模型导热方程由第三章说明。在简化模型方面，具体设置如下：把整个单体电池视为一个整体，反应前后质量不变，体积不变，密度不变；。在反应时产生的温度变化以及电池的容量变化，不会改变内部材料的物性参数；电池热源均匀分布，各部分生热率相同，温度场整体化；忽略单体辐射散热与内部对流换热；⑤各个方向上导热系数一致。1.2锂离子电池的热物性参数的计算由第三章所示的式子（14）所示，想要求得电池发热的温差，即温度T的变化，需要计算单体电池本身的热物性参数：电池密度ρc，比热容Cc，，各个方向导热系数λr、λθ表1.SEQ表4.\*ARABIC1热物性参数表名称密度（kg/比热容J·kg导热系数（W·m正极2328.501269.201.58正极集流体(铝箔)2700.00870.00238.60负极1347.301437.401.04负极集流体(铜箔)9000.00381.00398.00隔膜1009.001978.160.5壳体7530.00465.0016.001.2.1电池的密度电池的密度采用各个材料的密度，加权平均进行计算，参考表1.1，计算表达式如下：ρ（SEQ公式\*ARABIC1）式中：ρc为电池平均密度（kg/m1.2.2电池的比热容与电池密度计算方式一致，取各个材料的比热容加权平均，表达式如下：C（SEQ公式\*ARABIC2）式中C1.2.3电池的导热系数导热系数的计算与前面两个有些许不一样，由于其圆柱形结构的对称性，径向的导热效果一致，故导热系数一致，看出正负极板之间串联传热，轴向向可视为并联传热，计算表达式如下：λr（SEQ公式\*ARABIC3）λ（SEQ公式\*ARABIC4）式中：λr、λθ、λL厚度（m）；λ为导热系数（W·m−1·K经过综合计算，可以得到本次设计的圆柱形电池的热物性参数如下表1.2;表1.SEQ表4.\*ARABIC2电池热物性参数参数密度（kg/比热容J·导热系数（热物性参数270011601.45（法向）1.45（径向）27（轴向）1.2.4电池的生热速率生热速率在使用试验方法获取时的难度较大，且不准确，故在文献中得知，目前的产热计算使用为由Bernardi等建立的生热速率模型，设生热速率为q。模型公式为：q=（SEQ公式\*ARABIC5）上式中，q为生热速率，I为电流，V为电芯体积，dEdT为温度影响系数，E为开路电压其中可以进一步划分，I（E-U）与IdEq=（SEQ公式\*ARABIC6）可以看出，q不是常数，它随着电流I，温度T，内阻R的变化而变化，为了简化计算量，通常将q设为定值，设定如下：T为初始温度，取常温26℃；电池放电属于恒定倍率放电，I取定值，即不同倍率下存在不同的I，但在一种倍率下，电流不变化。dEdT④内阻R不是定值，不同温度和不同SOC情况下内阻也会不一样，但随着SOC的下降，内阻也会下降，产热量减小，故一种保持恒SOC值仿真时所设计的结果往往温度比实际要高，所以最后得到的散热效果如果较好，那么适用于在SOC变化时，其散热效果会更好。同时一般厂家在出厂电池模组时会有BMS的保护，不会出现过充过放的现象。综上，为了减小计算量，将R设为定值。由上表1.2所示数据，选取18650电池在1C、2C、3C下放电电流大小，1C=2.5A,带入式,获得不同放电倍率下的生热速率，进行仿真计算。其单位体积产热率q如下表1.3所示。表1.SEQ表4.\*ARABIC3电池单位体积生热速率放电倍率1C2C3C放电时间/s360018001200生热速率/W·19455.3654307.21110932.281.3锂离子电池单体仿真分析本节将会对文章中所提的18650电池，根据计算好的参数，模拟仿真在自然对流情况下单体电池的生热情况以及自身的温度场分布，设定电池的初始环境温度为26℃。同时观察在不同放电倍率下的内部温度分布，观察在不同电流情况下的产热，为模组仿真做准备。本文将采用ANSYSworkbench17.0中的FLUENT软件对其生热进行数值模拟仿真。1.3.1几何模型构建本文利用UG10.0三维建模软件进行18650型电池三维模型的建立，其内部结构复杂，但各个部件所占体积较小，其内部结构的复杂程度，对于温度场的热仿真没有大的影响，故将其视为一个均匀的圆柱体，电池外形参数如下表：表1.SEQ表4.\*ARABIC4锂离子电池外形参数名称参数（mm）高度65直径18模型三维图如下图1.SEQ图4.\*ARABIC1电池三维模型简化图1.3.2网格划分将模型进行有限元计算的关键就是网格划分，而网格划分后的质量决定着仿真是否准确，高质量网格精确但计算量大，低质量网格误差大，甚至会导致计算时出现发散，使得模拟失败，故在考虑计算量的情况下，合适的网格质量非常重要。本节使用ANSYS中workbench中的Mesh进行网格划分，保证精度的情况下，简化模型。其网格划分之后的示意图如图1.2，其中包含网格数46860与节点数49178.网格划分后需要检查网格的质量，通常网格的质量判别有如下几种方式检查正交质量（OrthogonalQuality）：一般要保证其数值大于0.15，越高精度越高。网格横纵比小于10倾斜度：数值越小，说明网格越好，数值为1时为无效网格，一般倾斜度越接近0，质量越佳。图1.SEQ图4.\*ARABIC2电池单体网格划分图网格检查数据如下图图1.SEQ图4.\*ARABIC3网格单元质量示意图图1.SEQ图4.\*ARABIC4网格正交质量示意图图1.SEQ图4.\*ARABIC5网格倾斜度示意图由以上网格质量检查的数据可以判断，计算用网格符合要求，且质量佳。1.3.3仿真计算步骤在网格划分完并且检查完网格质量后，启动Fluent的Setup求解器将网格导入并开始计算，在设置完计算时所需计算机的核数后（所选核数越高，计算速度越快，但对电脑的负担会加大，根据仿真经验，选择6核），打开求解器进行仿真，步骤如下：①① 网格质量与尺寸检查。在Mesh中可以对具体网格进行检查，在求解器内也能对网格质量与尺寸进行检查，此处主要检查的是计算域内网格中是否存在负体积网格的情况，点击check进行检查，若检查结果出现负数，必须重新划分。网格检查数据如1.6，没有出现负数网格，也证明网格合适。图1.SEQ图4.\*ARABIC6网格检查数据示意图②求解器与计算算法。本文研究的电池温度随时间而变化，发热量在发热率一致的情况下随时间而不断变化，采用瞬态法求解，速度方程选择绝对速度方程，压力-速度耦合选用SIMPLE,其余保持默认。③确定物理模型。本次设计中存在热量的传递与热量的产生，会伴随着能量的变化，在物理模型中将能量方程打开。④设置材料热物性参数：在材料功能内，对单体电池的材料进行自定义设置，设置如图所示，数据来源于表1.2所计算的结果。图1.SEQ图4.\*ARABIC7电池热物性参数设置设定热源。打开热源选项，选择仿真的18650电池，将其热源设为恒定，其生热率有表1.3所示，环境温度设置为26℃。图1.SEQ图4.\*ARABIC8电池热源参数设置⑥边界条件的设定。初始温度设为26℃，电池在自然对流的情况下与外界的热交换为对流换热，电池的外表面设为Wall（壁面），同时选择对流换热，设定电对流换热系数为5W/(m图1.SEQ图4.\*ARABIC9电池边界条件设置⑦计算与收敛：残差监视器中的数值需要去多次尝试，确定合适自身条件的松弛因子，设定能量方程收敛值为10−4图1.SEQ图4.\*ARABIC10仿真计算设置1.3.4后处理将仿真结果可视化，得到温度场的分析图如下：图1.SEQ图4.\*ARABIC112C倍率下电池温度截面图图1.SEQ图4.\*ARABIC122C倍率下电池温度云图图1.SEQ图4.\*ARABIC131C倍率下电池温度截面图图1.SEQ图4.\*ARABIC141C倍率下电池温度云图1.4电池单体仿真结果分析如上图所示为18650电池在两种放电倍率下的温度场分布。图1.13为在1C放电倍率下的温度分布，其中，经过仿真得到的最高温度值为38.190℃，最低为38.038℃。图为在图为在2C放电倍率下的温度分布，其中，经过仿真得到的最高温度值为50.851℃，最低为50.552℃。整体来说，在不同倍率的情况下，尽管最高温度等不一致，但整体温度场的分布相似，有以下规律，（a）.正负极的温度比其他部位低;（b）.从中间视图看，温度场呈现椭圆分布，内部温度高，出现温度聚集，向外逐渐减小，呈现内部中心向外减小的趋势;(c).放电倍率增加，电池整体的温度情况都有所升高，在2C情况下，内部最高温已经达到50.851℃，超过合适的温度工作范围，如果再增加倍率，易出现热失控现象，故需要进行散热设计。表1.5为上述在不同情况下的温度数据的汇总，表1.SEQ表4.\*ARABIC5不同倍率下电池最高温度放电倍率1C2C最高温度（℃）38.19050.8511.5电池单体CFD模型验证由于仿真结果与真实情况下的放热会有不一致，故需要实验验证仿真结果的可行性。本次设计的实验数据来源于以下文献，该文献搭建了用于测试单体电池不同情况下的发热数据的平台，根据该文献所测数据，如下表，再根据自身模拟所得结果进行对比，验证其有效性，同时该文献所做实验的结论中，关于18650温度场的变化情况，也与本次仿真所得结果一致。表1.SEQ表4.\*ARABIC6实验测试与仿真结果对比采样位置实验测试温度（℃）仿真温度（℃）相对误差（％）1C-顶部36.20038.0861.81C-中部36.80038.1903.71C-底部36.30038.0381.52C-顶部50.40050.7510.62C-中部50.90050.8510.92C-底部47.10050.5526.8得出对比表如上1.6，在2C的放电倍率下，仿真最高温度为50.851℃，实验最高温度为50.900℃，相对误差0.9％，1C下仿真最高温度为38.190℃，实验最高温度为36.800℃，相对误差为3.7％，由此可以得出，本文设定条件下的热仿真结果，与实际有一定的偏差，但其偏差在可接受范围，说明本次设计中有关于单体电池的热数据能较准确的模拟真实发热情况，符合模拟现实的要求，有一定可行度，可用于后续的仿真设计。1.6电池模组CFD模型验证因为后续需要进行模组设计，故本节根据第二章中的一种散热方案进行了模组的模型验证，该模组也需要在自然散热的情况下进行模组内的发热分析，其仿真设定条件与单体相似，不需要进行