電動汽車的鋰離子動力電池?zé)嵝?yīng)的有限元分析

1、電動汽車的鋰離子動力電池?zé)嵝?yīng)的有限元分析Jin Biao1, Shu Xiong1, Liu Wei21. Guangdong University of Science & Technology, Dongguan, Guangdong, 523083, China533404502. Product Development Department of Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of Dongfeng CommercialVehicle Company Limited, Wuhan, Hubei, 430056, Ch

2、in要通過建立一個三維瞬態(tài)矩形的換熱模型，并且在不同的放電條件下對溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，來研究放電電流、環(huán)境溫度、對流換熱系數(shù)和發(fā)射率對LiFeO4電池的散熱能力的影響。結(jié)果表明，最大溫度明顯隨著放電電流和環(huán)境溫度的增加而增大。而且，發(fā)射率對電池表面溫度的影響在自然對流時是很明顯的，在強(qiáng)制對流條件下的影響是很小的。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度很低的時候，發(fā)射率對電池表面溫度的影響是很明顯的，在環(huán)境溫度很高的時候，影響并不明顯。關(guān)鍵詞：產(chǎn)熱率；散熱因素；熱效率1 前言鋰離子動力電池是電動和混合動力汽車的重要儲電裝置，在電池充電和放電的過程中，出現(xiàn)溫度升高的現(xiàn)象，會引起一些熱安全

3、性能問題。因此，為了解決這個問題，研究電池的溫度場和熱產(chǎn)生機(jī)理是十分重要的。在過去的三十年來，熱影響的研究主要關(guān)心和集中于鋰離子動力電池的熱產(chǎn)生機(jī)理、模型和耗散影響因素的分析。Bernardi等人建立了一個基于均勻性假設(shè)的典型熱產(chǎn)生速率模型，提出了電池的生成熱主要由可逆的化學(xué)反應(yīng)生成熱和焦耳（歐姆）熱組成。Sato分析了鋰離子電池在沖放電過程中的熱產(chǎn)生原因，并指出了總的生成熱由化學(xué)反應(yīng)熱、極化反應(yīng)熱和焦耳熱組成，同時，他給出了近似計算的公式，對鋰離子動力電池?zé)岙a(chǎn)生機(jī)理的數(shù)值分析為以后的研究打下了很好的基礎(chǔ)。Wu等人通過建立一個二維的傳熱模型，研究了圓柱型鋰離子動力電池在不同的SOCs條件和冷卻

4、條件下的溫度分布。陳等人考慮了電池表面的對流和輻射換熱，建立了一個基于Bernardi等人提出的熱產(chǎn)生速率模型的三維傳熱模型，并且分析了深度放電、放電電流、對流導(dǎo)熱系數(shù)和電池殼壁厚度對電池溫度分布的影響。此外，國家可再生能源實驗室（NREL）的Kim等人提出了一種鋰離子電池的三維傳熱通用模型，這個模型加入了各種可能的生成熱的反應(yīng)，并且準(zhǔn)確的模擬了在耐熱實驗中圓柱型鋰離子電池的內(nèi)部溫度場的變化，耐熱模擬實驗表明了電芯尺寸在很大程度上影響了其熱性能。Lin等人建立了一個三維傳熱模型來分析電流、對流換熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)對100Ah的鋰錳電池的散熱能力的影響。Li結(jié)合實驗和有限元分析的方法，分析了在不同

5、充放電電流的條件下鋰離子電池的溫度分布。作者在此研究中，通過模擬和分析了一個矩形的LPF電池的在不同的散熱影響因素下的溫度分布，來獲得散熱能力最佳的設(shè)計。2 鋰離子電池的熱產(chǎn)生模型和熱模擬2.1 研究對象簡介矩形LPF電池的簡化模型如圖1所示，m-n是沿著y軸穿過其中心的中心線，它主要由core、shell、cap和poles組成，幾何尺寸、core的尺寸、shell的厚度、cap的尺寸、poles的尺寸和電池容量分別是135mm×25mm×170mm，132mm×22mm×158.5mm，1.5mm，18mm×10mm和45Ah。電池的組件和

6、材料的特性在表1中列出。2.2 建立模型為了簡化數(shù)值模擬，不考慮電池內(nèi)部對流和熱輻射，電池的核心包括殼體和兩極的導(dǎo)熱系數(shù)、密度和熱容都假定是均衡的，并且在一定溫度范圍內(nèi)保持恒定。基于上述假設(shè)，適用于三維瞬態(tài)傳熱模型的直角坐標(biāo)形式的能量守恒方程如下： CpTt=x2Tx2+y2Ty2+z2Tz2 式中，(kg/m3 )，Cp(J/kgK)，T(K) 和t(s)分別指電池電芯的平均密度，恒壓條件下的平均比熱容，溫度和時間。根據(jù)熱量均勻分布的假設(shè)，單位體積內(nèi)的熱量產(chǎn)生速率由q來表示，q可由下式給出： 式中，Vc(m3)，Uocv(V)，U(V)，UocvT，I(Uocv-U)(J)和ITUocvT(

7、J)分別是電池電芯體積，開路電壓（OCV），工作電壓，溫度影響系數(shù)，焦耳熱和可逆反應(yīng)熱。(Uocv-U)可以定義為電流I(A)和內(nèi)阻R()的乘積，因此，方程(1)就可以改寫為: q=1VcI2R+ITUocvT可逆反應(yīng)熱對總的熱量的產(chǎn)生的影響在鋰電池正常工作的情況下是很小的，因此總的熱量可以認(rèn)為是焦耳熱，所以總熱量的產(chǎn)生率可以看做只與內(nèi)部電阻有關(guān)，總熱量的產(chǎn)生率與在恒定電流放電時的放電時間有關(guān)。45Ah的鋰電池在不同的放電電流隨時間變化的多項式方程q在文獻(xiàn)7中已經(jīng)給出。在不考慮溫度影響的情況下，兩極的熱產(chǎn)生速率qp可以由下式獲得： 根據(jù)牛頓冷卻公式和黑體斯忒藩-玻爾茲曼方程，邊界條件的表達(dá)式可

8、由方程（5）和方程（6）給出：Qc=h(Ts-T)式中，Qc(J)，h(w/m2K)，Ts(K)，T(K)，Qr(J)，和(w/m2K4分別是對流換熱量，對流換熱系數(shù)，表面溫度，環(huán)境溫度，輻射換熱量，發(fā)射率和斯忒藩-玻爾茲曼常數(shù)。2.3 結(jié)果與討論不同的工作環(huán)境和外部環(huán)境在鋰電池放電過程中都對其熱性能有所影響，放電電流是生成熱量的最主要影響因素，熱對流、熱輻射和環(huán)境溫度是熱量擴(kuò)散的主要影響因素。工作環(huán)境（1）中不同的放電電流時鋰電池表面溫度分布的模擬結(jié)果如圖2所示：如圖2所示，在放電結(jié)束的時候，高溫度主要集中在電池外殼的中心區(qū)域，相對的，低溫度主要集中在邊緣區(qū)域。與電池電芯相比，外殼的正面和反

9、面由于較低的熱產(chǎn)生速率，所以溫度較低。此外，最低溫度分布在電池頂蓋的中心區(qū)域，這是因為這個區(qū)域沒有和電池電芯直接接觸，而且，其材料是低導(dǎo)熱系數(shù)的額PP材料。如圖2（c）所示，放電電流為135A時，電池電芯的最高溫度是376.7K，會引起電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，因此，為了保證電池的安全性和好的性能，應(yīng)該讓電池的放電電流保持在3C以內(nèi)。圖3是在工作條件（1）下放電結(jié)束時沿Y軸（直線m-n）的溫度分布,圖3中的曲線都是均勻的，也就是說，與電池電芯中心點的最大溫度相比，而且最低溫度是電池表面的兩面。如圖2和圖3所示，在相同的環(huán)境溫度和冷卻條件下，放電電流對電池溫度的電話是有影響的，電池表面的溫度隨著放電電

10、流的增加而升高，原因是電池內(nèi)部的熱源放電電流的平方,成正比轉(zhuǎn)移到電池表面。更大的放電電流將會導(dǎo)致電池內(nèi)的溫度較高, 使電池失敗甚至爆炸,是嗎因此,必須控制放電電流, 需要適當(dāng)提高熱強(qiáng)度在電池的中部地區(qū)耗散。圖4是在工作條件下放電結(jié)束時沿直線m-n的溫度分布。如圖4所示，在相同的放電電流和熱傳遞系數(shù)下，當(dāng)電池放電結(jié)束時，環(huán)境溫度越高，電池內(nèi)部的最大溫度就越高。因為對流換熱和環(huán)境溫度是成反比的，所以當(dāng)環(huán)境溫度在290K308K變化時，最大溫度的變化范圍是309.8K322.2K，另一方面，環(huán)境溫度越高，就會引起更少的熱量交換和更少的對流熱量散失。當(dāng)換熱系數(shù)分別為5和25w/m2K時，在工作條件（3

11、）下，不同的發(fā)射率時，沿直線m-n的溫度分布如圖5所示。當(dāng)環(huán)境溫度分別為290K和300K時，在工作條件（4）下，不同的發(fā)射率時，沿直線m-n的溫度分布如圖6所示。在不同的環(huán)境溫度下，發(fā)射率的變化對電池表面溫度的影響程度是不同的。環(huán)境溫度為300K是發(fā)射率的變化對電池表面溫度的影響是很小的，這是因為輻射換熱量是和電池標(biāo)面溫度的四次方和環(huán)境溫度的四次方的差成正比的，環(huán)境溫度越低就會促進(jìn)輻射換熱，同時會使電池表面溫度降低。如圖5和圖6所示，輻射換熱能發(fā)揮冷卻的作用，但是在不同的對流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度下，這種影響是不同的。所以最有效的方法是強(qiáng)制冷卻以確保電池的正常工作。通過以上分析，我們可以得出一個

12、這樣的結(jié)論，鋰電池的溫度分布是和電池內(nèi)部的熱產(chǎn)生因素和外部的熱散失因素有一定的聯(lián)系的，并且電池的熱性能在很大程度上取決于工作條件。當(dāng)電池達(dá)到一定的溫度時就會引起內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，過度的放電會使電池內(nèi)部的溫度急劇升高，這會對電池的性能和安全性造成很大的影響。此外，電池表面的對流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度對散熱有一定的影響，所以，可以通過提高對流換熱系數(shù)和降低環(huán)境溫度來改善冷卻性能。另外，輻射對散熱的影響程度取決于環(huán)境溫度和對流換熱系數(shù)。3 結(jié)論基于以上分析結(jié)果，我們可以得出以下鋰電池的有關(guān)結(jié)論：(1)電池表面的高溫度只要集中分布在中心區(qū)域，電池內(nèi)部和外部的最大溫度隨著放電電流的增大而升高。(2)對流換熱系

13、數(shù)越大，對流換熱效果越強(qiáng)，電池內(nèi)部和外部的溫度就越低。(3)環(huán)境溫度越高，電池表面溫度就越高。(4)在強(qiáng)制對流條件下，發(fā)射率對電池表面最大溫度有一定的影響，相反的，在自然對流條件下，發(fā)射率對電池表面最大溫度有著明顯的影響。(5)在高溫時，發(fā)射率對電池表面最大溫度的影響不是十分明顯，相反的，在低溫時就有著明顯的影響。參考文獻(xiàn)1 Bernadi D ， Pawlikowsiki E ， Newman J.T. A general energy balance for battery system. J Electrochem Soc，1985, 132:5-12.2 Sato N. Thermal

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