基于ANSYS的18650锂离子电池单体稳态热分析
基于ANSYS的电动汽车锂离子在不同放电电流下的温度场仿真
基于ANSYS的电动汽车锂离子在不同放电电流下的温度场仿真陈振族;温智贤;傅松威【摘要】文章通过对电池模型的简化和建模以及仿真条件的分析和判断,运用ANSYS软件对电池在不同放电电流下的温度场中进行仿真,从而得出电池的相关优化参数.【期刊名称】《南方农机》【年(卷),期】2018(049)022【总页数】1页(P69)【关键词】电动汽车锂离子;ANSYS;温度场【作者】陈振族;温智贤;傅松威【作者单位】福建农林大学机电工程学院,福建福州 350000;福建农林大学机电工程学院,福建福州 350000;福建农林大学机电工程学院,福建福州 350000【正文语种】中文【中图分类】TM9151 电池结构模型的简化仿真单体电池放电前，文章对单体电池进行如下简化假设：1）不考虑电池内部的对流，只考虑电池表面的对流换热；2）不考虑电池内部的辐射对热量交换的作用；3）认为电池内部产生热量是一致的[1]。
2 电池的建模和网格的划分2.1 电池三维模型的建立单体电池为三元锂电池软包，电池软包由电池主板、两个极耳和铝塑膜壳组成，铝塑膜壳厚度为0.14mm，（可以忽略不计），因此可以将电池看成内核和正负极耳组成进行建模[2]。
电池主板（内核）的尺寸：宽度为160mm，厚度为7.4mm，高度为227mm；正极耳的大小：宽度为45mm，厚度为0.4mm，高度为25mm；负极耳的大小：宽度为45mm，厚度为0.3mm，高度为25mm。
利用UG绘制材料的三维图，完整图形如图1所示（左边薄板是负极耳，右边薄板是正极耳）。
2.2 电池网格的划分由于电池内核和正负极耳体积大小不一，所以在划分网格的时候应设置不一样的尺寸大小。
由于网格的尺寸越大，计算速度越快，所以结果的精确度相对较低[3]；网格的尺寸越小，计算速度越慢，但结果的精确度相对较高，因此，对于体积较大的物体，网格尺寸可相对设置较大，对于体积较小的物体，网格尺寸可设置较小，如图2所示。
基于Fluent的锂离子动力电池的热分析
基于Fluent的锂离子动力电池的热分析周庆辉;陈展;刘少楠【摘要】锂离子动力电池的温升现象严重影响电池的寿命和汽车的安全性.本文分析了锂离子动力电池的生热机理,进行了热效应模型的建立和热物性参数的确定.建立了电池三维模型并进行网格划分,选择稳态流动的求解方法及设置合理的边界条件,最后对电池进行2 A、3 A、4 A和5 A的恒流热分析.仿真结果表明不同恒流放电下,电池的最低温度、最高温度和最大温差都不同,放电电流越大,电池的最低温度、最高温度和最大温差都随之增大.【期刊名称】《北京建筑大学学报》【年(卷),期】2017(033)003【总页数】6页(P33-37,65)【关键词】锂离子动力电池;热分析;恒流放电【作者】周庆辉;陈展;刘少楠【作者单位】北京建筑大学机电与车辆工程学院城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室,北京100044【正文语种】中文【中图分类】TM912.9锂离子电池由于其寿命长、安全性高、比能量高、循环性能好等优点受到汽车行业的重视而成为电动汽车的动力电池.为了充分发挥锂离子电池的优点并克服其存在的缺点，各国政府、各大汽车企业和相关科研人员也在加大对大容量、高功率锂离子动力电池的研究.同济大学的张志杰和李茂德对锂离子动力电池的温升特性进行研究，揭示了电池内阻随电池温度和SOC(荷电状态)变化的规律[1]；北京理工大学的杨凯和李大贺等人采用了微量热仪对热量产生速率进行测量并对电池的热效应模型进行研究[2]；北京航空航天大学的姬芬竹、刘丽君等人结合Bernardi生热速率模型建立了电池模型，进行不同倍率下的电池温度场仿真[3]；西安理工大学的李小爽建立电池的二维热模型，利用Ansys进行电池放电时温度场的仿真，得到在强制对流换热方式时，辐射换热散发的热量几乎可以忽略不计[4].锂离子电池的温升现象给电池的寿命和电动汽车的安全带来了很大的隐患，所以对锂离子动力电池的热分析很有必要.本文主要分析了电池的生热机理，建立电池热效应模型，然后对所建立的电池模型进行不同电流下的恒流仿真分析.从电化学角度可知，在充放电的过程中，锂离子电池的生热量主要由4部分组成，即反应热Qf、欧姆内阻的焦耳热Qn、极化热Qp和副反应热Qs.对于锂离子电池来说，副反应热几乎为零，所以不考虑[5-8].化学反应热Qf 是电池在充电与放电过程中由锂离子在电池正负极材料之间的运动产生的.反应热在电池充电过程时为负值，而在电池放电过程时表示为正值.反应热计算公式如下：欧姆内阻热Qn是在电池充放电时，由电流流经电池内部导电介质时而产生的热量，充放电产生的欧姆热是标量，始终为正值.计算式如下：极化内阻热Qp 是由锂离子电池在充放电时内部电流流经极化内阻所产生的热量，极化内阻热与欧姆内阻热一样也是标量，始终为正值.计算式如下：电池总的发热量如式：锂离子电池的热效应模型是分析锂离子电池温度分布和变化情况的数学模型.电池表面温度分布不能充分表现电池内部的热状态，所以需要建立热效应模型来计算电池内部的温度场.电池热效应模型的应用对象是电池内部的任意单元体，若要求解热效应模型就需要施加热物性参数、生热率和定解条件，采用有限元计算和仿真来获得电池内部温度场的分布情况.由于电池内部的的复杂性以及电池材料的多样性，直接建立电池的三维热效应模型比较困难，因此在建立模型之前要对模型进行适当的简化.1)由于电池内部辐射对电池的散热影响很小，所以建模时将其忽略；2)电池的各种性能参数不随温度变化而变化；3)热量在电池内部的核心部分是均匀产生的[9].锂离子电池的数学模型的建立:采用Bernardi等[10]建立的电池生热速率模型对生热速率q进行估算，电池生热速率q的计算式如下所示：由式(7)可以看出，生热速率不是定值，是时刻变化的，但是考虑到电池实际工况下充放电倍率的复杂性，同时为了方便建模，假定生热速率是个定值.T为电池温度，定为25 ℃，I为恒流放电的电流，V=90×50×150 mm3，R取0.08 Ω，由公式(7)可得电池在2 A、3 A、4 A和5 A恒流放电下的生热速率q，具体数值见表1.锂离子电池实际工作中工况比较复杂，电池放电电流不同，电池生热率也不同，即电池内部因产生化学反应而产生的热不同，所以要在仿真中根据不同放电电流施加不同的生热率.通过查表/技术手册[11]可得电池的材料属性，如表2所示.本文以某公司生产的磷酸铁锂电池作为研究对象，电池的标称电压为3.2 V，充电上限电压为3.65 V,放电终止电压为2.5 V，工作的环境温度为-25～55 ℃.采用Gambit建立锂离子电池的三维模型，电池的长宽高分别是90 mm，50 mm，150 mm.为了简化模型，所建立的三维模型忽略了正负级柱.为了提高计算的速度和收敛速度，对模型进行六面体结构化网格划分，网格的节点间隙设置为1，网格的数量为700 791，电池的外壳边界条件设置为WALL，导热介质设置为SOLID.电池的网格模型如图1所示.本文的求解计算选择稳态流动计算，初始温度设置为300 K，自然条件下的对流换热系数设置为5 W/(m2·K)，电池外壳的厚度设置为0.3 mm.2 A、3 A、4 A和5 A恒流放电时各施加一个热源，大小分别是437 W/m3、1 011 W/m3、1 822 W/m3和2 870 W/m3，电池外壳的材料和内部介质的材料根据表2进行设置.在残差监视对话框中设置能量方程的收敛精度为10-6，其他方程的收敛精度设置为10-3，经过迭代计算，到第6步就已经收敛.从图2可以看出，不同恒流放电时，电池的整体温度分布基本相同，主要是因为电池的内部导热介质相同，确定了三个方向的导热系数是不变的，而电池的尺寸是一样的，所以整体的热传导导致的温度分布基本相同.温度最低的区域在电池外部的4个角，这是因为外部4个角距离中心热源最远，传递的热量最少，所以温度最低.由图3可知，在进行不同恒流放电时，电池的最高温度都处于中心，电池的最低温度都处于外部的4个角，并且从电池的内部到外部，电池的温度逐渐降低.2 A 恒流放电时，电池的最低温度为301 K，电池的最高温度是302 K，最高温度和最低温度相差1 K；3 A恒流放电时，电池的最高温度为305 K，电池的最低温度为302 K，最高温度和最低温度差值最大为3 K；4 A恒流放电时，电池的最高温度为309 K，电池的最低温度为303 K，最高温度和最低温度差值最大为6 K；5 A 恒流放电时，电池的最低温度为305 K，电池的最高温度是313 K，最高温度和最低温度相差8 K.因为电池在实际的工作过程中，内部中心因为产生剧烈的化学反应致使中心温度最高，然后通过介质，以热传导的方式，把热量散出去，所以电池的最高温度处于中心位置，电池的最低温度处于电池外壳的4个角位置.通过图4可以看出，电池工作时，化学反应产生的热量在中心位置向长宽高方向扩散，但热量在X轴、Y轴和Z轴的扩散的多少不同，这主要是因为长宽高三个方向的导热系数不同.不同恒流放电时，热量扩散的趋势是一样的.从锂离子电池2 A、3 A、4 A和5 A恒流放电温度分布图可以看出，当放电电流增大时，电池的最低温度、最高温度和最大温差都在增大(如图5和表3所示)，主要原因是随着放电电流的增大和放电深度的增加，电池的剩余电量降低，电池内阻增大[12]，内部生热量也随之增大，所以才会引起温度的升高和温差的增大.单体锂离子动力电池5 A放电时的温差为8 K，当串联组成电池包使用时，温差一定会更加大，这对电动汽车电池的使用和维护都是极其不利的，并且汽车在行驶时的工况复杂，有时需要大功率的放电，如果不能及时的散热冷却，那么这个温升问题会给电池的寿命和汽车的安全带来很大的影响，甚至危害驾驶员的安全.1)锂离子动力电池在不同电流的恒流放电下，电池的生热速率不同，电池的最大温差也不同，电流越大，最低温度和最高温度越大，温差也越大，从电池中心到外壳，电池的温度逐渐降低.2)在进行电池2 A、3 A、4 A和5 A恒流放电时，电池中心和表面温度越来越高，但都处于单体电池的合理使用范围之内，若增大放电电流，那么电池的温度势必会超过合理的工作温度，减少电池的使用寿命，因此要使电池使用寿命增长，需将电池的放电电流控制在合理的范围之内.3)选择稳态流动计算，使用固定的生热速率可以对电池进行内部温度场的研究.【相关文献】[1] 张志杰,李茂德.锂离子动力电池温升特性的研究[J].汽车工程,2010(4):320-323[2] 杨凯,李大贺,陈实,等.电动汽车动力电池的热效应模型[J].北京理工大学学报,2008(9):782-785[3] 姬芬竹,刘丽君,杨世春,等.电动汽车动力电池生热模型和散热特性[J].北京航空航天大学学报,2014(1):18-24[4] 李小爽.动力锂离子电池温度场热分析[J].电源技术,2014(4):636-639[5] 田华,王伟光,舒歌群,等.基于多尺度、电化学- 热耦合模型的锂离子电池生热特性分析[J].天津大学学报：自然科学与工程技术版,2016(7):734-741[6] 付正阳,林成涛,陈全世.电动汽车电池组热管理系统的关键技术[J].公路交通科技,2005(3):119-123[7] 葛子敬,臧孟炎,叶鹏,等.电动汽车锂离子电池组风冷散热仿真分析[J].机械设计与制造工程,2015(10):24-28[8] 江洪,兰文奎.混合动力汽车电池组散热系统试验研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2010(5):796-799[9] 郭立刚.锂离子动力电池热分析及散热优化[D].西安：长安大学,2016[10] Bernardi D，Pawlikowski E，Newman J.A general energy balance for battery system[J].Journal of Electrochemical Society，1985，132(1):5-12[11] 陈则韶，葛新石.量热技术和热物性测量[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009：342-345[12] 辛乃龙.纯电动汽车锂离子动力电池组特性分析及仿真研究[D].吉林大学，2012。
Ansys热分析教程_第三章稳态热分析
前处理：建模
查看并选择基本选项
查看SURF151单元的缺省基本选项并单击 “Options”。
前处理：建模
查看并选择关键选项
将单元行为从平面改变为轴对称。注意 K4的改变, 移去中间结点；K5的改变, 对 流计算中包含附加结点。结束后单击 “Close” 。
前处理：建模
定义并检查实常数
实常数
• • • • • 实常数是指定单元类型的几何特征。 并不是所有的单元类型都需要实常数。 有些单元类型只有在选择了某些基本选项时才需要实参。 使用ANSYS在线帮助得到更多的关于实参的说明。 第一个定义的实常数缺省指定为 实常数号1
热载荷和边界条件的类型
施加的载荷 温度
载荷分类
约束
实体模型载荷
在关键点上 在线上 在面上 在关键点上 在线上(2D) 在面上(3D) 在线上(2D) 在面上(3D) 在关键点上 在面上 在体上
有限元模型载荷
在结点上 均匀 在结点上 在结点上 在单元上 在结点上 在单元上 在结点上 在单元上 均匀
热流率 对流
• 相应的有限元平衡方程为:
KT Q
热载荷和边界条件的类型
• 温度
– 自由度约束，将确定的温度施加到模型的特定区域。
• 均匀温度
– 可以施加到所有结点上，不是一种温度约束。一般只用于施加初始温 度而非约束，在稳态或瞬态分析的第一个子步施加在所有结点上。它 也可以用于在非线性分析中估计随温度变化材料特性的初值。
前处理：建模
定义并查看材料特性 要手工输入材料特性，首先选择Material Models菜单，并双击树 状结构以获得该分析所需的材料行为方式( 均匀各向同性，均匀 各向异性，对温度变化) …….
动力锂离子电池温度场热分析
动力锂离子电池温度场热分析李小爽【摘要】为了更好地掌握锂离子电池放电时电池内部温度场的分布,对电池放电时产生的热量进行管理,建立了锂离子电池放电时的数学物理模型.利用热分析软件Ansys,以ICR65/400型锂离子电池为例,建立了电池的二维热模型,对电池放电时的温度场进行了仿真分析.模拟了电池内部不同热生成率及电池与外界环境不同换热方式时,电池内部温度场及最高温度的分布,并分析了电池内部热生成率及辐射换热对电池内部温度场分布的影响.结果显示,电池内部最高温度及温度场的分布与电池热生成率、电池换热方式有很大关系.在自然对流换热方式时,辐射换热散发的热量占全部热量的5.6％～17.9％.而在强制对流换热时,辐射换热散发的热量几乎可以忽略不计.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2014(038)004【总页数】4页(P636-639)【关键词】锂离子电池;温度场;换热方式;辐射换热控制【作者】李小爽【作者单位】西安理工大学高等技术学院,陕西西安710082【正文语种】中文【中图分类】TM912.9锂离子电池凭借其自身的优点，已经被广泛应用于电动汽车，混合动力汽车等各种设备。
然而，近年来，由于锂离子电池在使用时的过度发热，商业上已经发生了多起锂离子电池召回事件。
而且，随着锂离子电池应用的广泛，越来越多的学者也开始对锂离子电池进行研究。
Karthikeyan Kumaresan等人研究了在不同的放电温度时锂离子电池的放电表现[1]；C.Y.Wang等人研究了锂离子电池的电化学与热行为之间的关系[2]；S.C.Chen等人通过三维仿真模型研究了锂离子电池的热行为[3]；Gi-Heon Kim等人研究了锂离子电池尺寸的大小与电池“热失控”之间的关系[4]。
锂离子电池放电时，其内部生成热主要由三部分组成：极化热（不可逆热）、化学反应热（可逆热）、焦耳热，且热量在电池内部迅速生成，使得电池内部温度快速升高。
18650型锂离子动力电池热特性研究
18650型锂离子动力电池热特性研究冯能莲;马瑞锦;陈龙科【摘要】To research the thermal security of lithium-ion power battery used in electric vehicles, with 3.2 Ah lithium-ion power battery as the research object, a three-dimensional mathematical model was built to analyse the thermal characteristic of lithium-ion power battery in the state of different discharge rates and different ambient temperature by the simulation and experiment temperature on the thermal characteristics of lithium-ion power battery were investigated. The results illustrate that temperature rising curve of the lithium-ion battery is nonlinear, the temperature rise rate increases obviously at the end of discharge; the temperature rising and temperature rising rate increase with the increasing of the charge/discharge rate; their temperature variation trends are basically the same, so the mathematical model can accurately describe the thermal behavior of the lithium-ion battery. The simulation and experimental analysis of thermal characteristics of lithium-ion battery could provide abundant data basis for studying temperature rising of battery pack and design of thermal management system.%针对电动汽车用锂离子动力电池热特性,以3.2Ah锂离子动力电池为研究对象,建立了锂离子动力电池的热模型.分别对锂离子单体电池在不同放电倍率、不同环境温度下的热特性进行了仿真和实验.结果表明,锂离子电池温升呈现非线性特征,在放电末期温升速率明显增大;锂离子电池的温升和温升速率随着放电倍率的增大而增大;仿真温度和实验温度变化趋势基本一致,说明所建立的数学模型能够较准确地描述锂离子单体电池放电过程热行为.进行锂离子单体电池热特性仿真和分析,可以为热管理系统设计提供依据.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2019(043)004【总页数】4页(P564-567)【关键词】电动汽车;锂离子动力电池;数学模型;热特性;热管理【作者】冯能莲;马瑞锦;陈龙科【作者单位】北京工业大学环境与能源工程学院,北京 100124;北京工业大学环境与能源工程学院,北京 100124;新能科技香港有限公司,中国香港 999077【正文语种】中文【中图分类】TM912锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、能量效率高、自放电率小、循环寿命长、无记忆效应等优点[1-2]，广泛应用于电动汽车。
18650圆柱形电芯的产热行为研究
18650圆柱形电芯的产热行为研究王子缘;张国庆;高冠勇;吕又付【摘要】随着新能源汽车的不断发展,提高动力电池运行时的热安全性倍受关注.通过实验方法测试出18650单体电芯在恒流1 C放电倍率下的电压、电流、温度及时间数据,通过能量守恒估算电芯的理论产热值为3901.51 J,并且计算出电芯的平均比热容与平均发热功率分别为5.37 J/(g·K)与1.08 W.同时采用计算机仿真的方式，模拟出18650电池在1 C恒流放电时的表面/截面温度云图,与实验得出的数据对比并进行验证，实现其最高温度的误差值小于等于1℃,为后续的电动汽车热灾害评估打下理论基础.%With the continuous development of new energy vehicles, increasing the thermal safety of the power battery attracts more attention. The data of current, voltage, temperature and time of the 18650 single cell are tested under the constant current 1 C discharge rate, the theoretical calorific value of the cell estimated to be 3 901.51 J based on law of conservation of energy, and the average specific heat and the average heating power is calculated through experimental method to be respectively 5.37 J/(g·K) and 1.08 W. At the same time, the surface/section temperature image of the 18650 single cell through 1 C constant current discharge is simulated by the way of computer simulation. Compared with the experimental data and verified, the error of the maximum temperature is less than or equal to 1℃, which lays a theoretical foundation for the follow-up evaluation of the electric vehicle thermal disaster.【期刊名称】《广东工业大学学报》【年(卷),期】2017(034)001【总页数】5页(P45-49)【关键词】电芯产热;热安全;能量守恒【作者】王子缘;张国庆;高冠勇;吕又付【作者单位】广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510006;广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510006;广东工业大学材料与能源学院，广东广州510006;广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510006【正文语种】中文【中图分类】TK112电动汽车由于车内体积空间限制且电池在特定环境需要超高倍率放电，存在发热安全隐患. 另外，近年来电动汽车在续航、安全性等方面屡屡出现问题. 国内对电动汽车动力电池往往更加注重容量的高密度，电动汽车在行驶过程中，动力电池放电电流波动起伏，特别是在启动、加速等情况电流变化较大且产热不均衡[1]. 过热、燃烧、爆炸等安全问题一直是电池安全性的重点，热量的产生与迅速堆积必然引起电池内部温度升高，尤其在高温环境下使用或者在大电流充放电时，可能会引发电池内部发生剧烈的化学反应[2]，产生大量的热，若热量来不及散出而在电池内部迅速积聚，电池可能会出现漏液、放气、冒烟等现象，严重时发生剧烈燃烧甚至爆炸.在锂离子电池运行工况下，随着外界热和电扰动，放热反应不断进行[3]，温度不断上升，当达到电池内部特定材料的相应温度点时会激发新的放热反应，从而迫使温度继续上升[4-5]，如图1所示. 无节制地使用锂离子电池严重影响其充放电性能、循环寿命以及燃烧、爆炸等热安全问题，制约着电动汽车用锂离子电池的发展[6-8].本文通过实验测试手段，测量18650单体电芯的充放电数据，采用计算机积分方式估算出电池的理论产热并且通过该值计算出电芯的平均比热与平均发热功率，为后续的热灾害评估打下基础[9].1.1 实验平台搭建采用CMICR18650F8电芯，电压和电容量分别为3.7 V和2 600 mAh，重量为46 g，用厚度为10 mm的隔热材料进行包裹，见图2. T型PFA热电偶线通过温度巡检仪测电芯表面温度，如图3所示，探头置于电池正负极中间表面处. 采用的设备分别有型号为BK-3096LP/20的蓝奇固态锂电池自动检测化成设备，ADAM-4118温度测试模块，台式电脑以及直流稳压电源.1.2 测试方法电池的中部表面布置了热电偶，电池两头焊15 mm长镍片，镍片上焊接AWG16导线，导线长约200 mm，上述组合用0.1 mm厚的PVC热缩膜套紧绝缘. 图4表示采用直流稳压电源对电芯进行0.5 C充电，充电过程经历恒流再恒压过程，充电时间为133.76 min. 充满后搁置30 min，采用固态锂电池自动检测化成设备对电芯进行1 C/3 C放电，在常温中进行，见图5.对于双电解液电池，忽略混合焓值变化以及相变过程的影响，为简化计算，电池的反应热用Qr来表示[10]；由电池极化引起的能量损失用Qp来表示；电池内存在着副反应，典型的副反应是电解液的分解和自放电，副反应引起的能量损失用Qs 表示；电池存在着电阻，产生焦耳热Qj[11-14]. 所以，一个电池总热源可表示为本文通过实验测试的方法，分析处理18650电芯在运行过程中时间与电流/电压的关系，作出电池瞬时功率与时间的曲线图P-T，然后对其积分算出有效面积，估算出电池的实际总产热值，该过程需要准备两份文件，分别是电池放电温度数据以及电池放电电流电压特性数据，采集的时间间隔一致[15-17].2.1 放电时间与压降分析对CMICR18650F8单体电芯进行0.5 C充电，1 C/3 C放恒流放电，其电流电压特性曲线见图6.从图6可看出电芯的恒流稳压充电平台稳定，总耗时133.76 min，充入总电量为2 600 mAh. 在1 C恒流放电倍率下，电芯截止电压下降至2.75 V，放出总电量2 600 mAh，总耗时60.37 min. 3 C放电倍率下，总耗时5.43 min，放出电量700 mAh，电芯无法高倍率放电，下面采用1 C恒流放电数据进行电池产热行为分析.2.2 放电时间与电芯温度分析对单体电芯进行充放电的实时温度采集，作出时间-温度曲线图，见图7.从图7能清晰地看出电芯在1 C恒流放电倍率下的温度特性，其中放电持续60.37 min，最高温度达到47.6 ℃，放电前后最大温差可达15.8 ℃，环境温度恒定在(33±0.5) ℃波动. 由比热容公式根据后续的电池总产热，算出电池的理论平均比热容[18-19].2.3 放电时间与瞬时功率分析处理电芯放电时间与电流/电压的关系，作出电池瞬时功率与时间的曲线然后对其积分算出有效面积，估算出电池的实际总产热值，详细见图8.从图8曲线，用瞬时功率(W)对时间(min)积分，采用计算机积分的方式可算出曲线所包围的面积ABCD即为1 C放电情况下电子负载（固态锂电池自动检测化成设备）实际功耗Qt.从热力学第一定律可得，电池产热值理论上可视为电池标称总功与电子负载实际功耗之差，再扣除电池剩余电量. 电池标称总功为其中U表示电池充电结束搁置15 min后的电压值，∆U表示电池1 C放电起步时的压降值，实验值(U-∆U)=3.81 V，代入计算得35 881.51 J. 电池剩余电量Q剩余代表电芯在放电后电芯本身的剩余电量，1 C放电后电芯的剩余电量在电池行业内可忽略不计，所以电池总产热理论值为3 901.51 J. 从热量角度考虑电池产热为其中欧姆内阻可从内阻仪测量得出, 极化内阻小于欧姆内阻，因此这种产热估算研究方式合理，可做参考. 其平均比热容C平均计算得5.37 J/(g·K). 单体电池平均发热功率Pr为电池发热量与发热总时长的比值为1.08 W.3.1 能量守恒与控制方程对于单体电池自身的吸热量，由于电池材料以及结构复杂，视为各向异性，导热非常复杂，在直角坐标系中沿坐标轴x、y、z的热流密度可表示为：质量守恒定律：动量守恒定律：能量守恒定律：对流换热系数方程：3.2 计算分析根据上述实验平台的搭建思路以及测试数据，整理出该实验对象18650单体电池的相关热物理参数，见表1.采用三维瞬态导热模型，根据上述两章实验平台搭建与实验工况选取确定边界条件，得出18650单体电池1 C放电的温度云图.从图9、10可以看出，18650电池在规定的边界条件下以1 C倍率的恒流放电，电池放热，表面的最高温度达48.3 ℃，沿着z轴方向温度呈降低趋势，最低为46.2 ℃. 温度分布规定符合实验值，其中电池在1 C放电下表面最高温度的实验值与模拟值的误差小于等于1 ℃，可作对照分析.本文采用18650单体电芯恒流放电测试的方式，分别采集了电流、电压、温度及时间数据. 研究表明，单体电芯在环境温度为(33±5) ℃，不受外部条件干涉下1 C 放电平台趋于稳定，温度特性为Tmax=47.6 ℃，最大温差∆Tmax接近16 ℃，电芯产热行为明显. 处理电芯放电时间与电流/电压的关系，作出电池瞬时功率与时间的曲线，采用计算机积分方式可算出曲线包围的面积，根据热力学第一定律及能量守恒，估算出电芯在1 C恒流放电下的总产热量为3 901.51 J，其平均比热容为5.37 J/(g·K)，平均发热功率为1.08 W，同时采用的计算机仿真的方式，模拟出18650电池在1 C恒流放电时的表面/截面温度云图，与实验得出的数据对比并进行验证，实验其最高温度的误差在1 ℃之内，为后续的电动汽车热灾害评估打下理论基础.【相关文献】[1]饶中浩, 张国庆. 电池热管理[M]. 北京: 科学出版社, 2015, 7-8.[2]RAO Z H, ZHAO Y M, HUANG C L, et al. Recent Developments in Drying and Dewatering for Low Rank Coals[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2015, 46: 1-11.[3]王子缘, 张国庆, 吴伟雄, 等. 一种磷酸铁锂动力电池热管理系统实验研究[J]. 电源技术, 2016(1): 47-49.WANG Z Y, ZHANG G Q, WU W X, et al. An experiment study on performance ofLiFePO4battery thermal management system[J]. Power technology, 2016(1): 47-49.[4]RAO Z H, WANG S F, ZHANG Y L. Thermal management with phase change material fora power battery under cold temperatures[J]. Energy Sources, PartA: Recovery, Utilizationand Environmental Effects. 2014, 36(20): 2287-2295.[5]SHARMA A, TYAGI V V, CHEN C R, et al. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications [J]. Renew Sust Energ Rev, 2009, 13(2): 318-345.[6]ZHOU D, ZHAO C Y. Experimental investigations on heat transfer in phase change materials (PCMs) embedded in porous materials [J]. Appl Therm Eng, 2011, 31(5): 970-977.[7]RAO Z H, WANG S F, ZHANG Z G. Energy saving latent heat storage and environmental friendly humidity-controlled materials for indoor climate[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(5): 3136-3145.[8]RAO Z H, WANG S F, PENG F F. Self diffusion of the nano-encapsulated phase change materials: A molecular dynamics study[J]. Applied Energy, 2012, 100(5): 303-308.[9]RAO Z H, WANG S F, PENG F F, et al. Dissipative particle dynamics investigation of microencapsulated thermal energy storage phase change materials[J]. Energy, 2012, 44(1): 805-812.[10]RAO Z H, WANG S F, WU M C, et al. Molecular dynamics simulations of melting behavior of alkane as phase change materials slurry[J]. Energy Conversion and Management, 2012, 64(1): 152-156.[11]QIU J G, ZHANG G Q, YANG X Q, et al. A study on structure-performance relationshipof overcharged 18650-size Li4Ti5O12/LiMn2O4 battery[J]. ThermAnalCalorim, 2014,118(5): 1413-1418.[12]WU W X , ZHANG G Q , KE X F, et al. Research on the preparation and enhanced cooling effect of composite phase change material for electronic thermal management [J]. Energy Conversion and Management, 2015, 101(1): 278-284.[13]RAO Z H, WANG S F, ZHANG G Q. Simulation and experiment of thermal energy management with phase change material for ageing LiFePO4 power battery[J]. Energy Conversion and Management. 2011, 52(12): 3408-3414.[14]RAO Z H, ZHANG G Q. Thermal properties of paraffin wax based composites containing graphite[J]. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 2011, 33(7): 587-593.[15]EAVES S, EAVES J. A cost comparison of fuel-cell and battery electric vehicles [J]. Journal of Power sources, 2004, 130(1/2): 208-212.[16]RAO Z H, ZHANG G Q, WU Z J. Thermal properties of paraffin/graphite composite phase change materials in battery thermal management system[J]. Energy Materials: Materials Science and Engineering for Energy Systems. 2009, 4(3): 141-144.[17]KIZILEL R, LATEEF A, Sabbah R, et al. Passive control of temperature excursion and uniformity in high-energy Li-ion battery packs at high current and ambient temperature[J]. Journal of Power Sources, 2008, 183(1): 370-375.[18]吴忠杰, 张国庆. 混合动力车用镍氢电池的液体冷却系统[J]. 广东工业大学学报, 2008, 25(4):28-31.WU Z J, ZHANG G Q. The Liquid cooling system of the nimh battery pack for hybrid electric vehicles[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2008, 25(4): 28-31. [19]张国庆, 马莉, 张海燕, 等. HEV电池的产热行为及电池热管理技术[J]. 广东工业大学学报, 2008, 25(1): 1-4.ZHANG G Q, MA L, ZHANG H Y, et al. Heat generation behavior of ev battery and its thermal management technology[J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2008, 25(1): 1-4.。
基于电化学–热耦合模型分析18650型锂离子电池的热性能
基于电化学–热耦合模型分析18650型锂离子电池的热性能陈军;康健强;谭祖宪
【期刊名称】《化学工程与技术》
【年(卷),期】2018(008)002
【摘要】本文以18650锂离子电池为研究对象,利用COMSOL Multiphysics仿真软件建立电化学–热耦合模型,并用实验进行论证。
从产热角度放电倍率(放电电流)和电极厚度(电池容量),从散热角度环境温度、散热介质及流动形态对电池热性能进行了仿真分析,全面且系统地比较了各种因素对温度及温差的影响。
本文的结果为电池热管理提供了理论基础。
【总页数】11页(P97-107)
【作者】陈军;康健强;谭祖宪
【作者单位】[1]武汉理工大学,湖北武汉;;[1]武汉理工大学,湖北武汉;;[2]深圳市鹏诚新能源科技有限公司,广东深圳
【正文语种】中文
【中图分类】TM9
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基于18650型磷酸铁锂动力电芯的产热和电化学行为分析
基于18650型磷酸铁锂动力电芯的产热和电化学行为分析张江云;张国庆;黄启秋;王烨【摘要】测试某知名进口和国产的A款和B款18650磷酸铁锂动力电芯在室温(25℃)、低温(–20℃)和高温(55℃)下不同放电倍率的温度性能、产热行为和电化学性能,分析两款电芯放电容量、放电电压平台、交流阻抗、电芯过充循环后直流内阻随着荷电状态的变化规律.结果表明环境温度和放电电流越高,电芯最高温度和温升斜率急剧增加;室温10 C放电时,B款最高温度比A款增加13.2％;B款电芯低温工况大电流放电时,电芯仅放出2.65％的电量,几乎失去正常放电电压平台;电芯的直流内阻随着荷电量的增加呈下降的趋势,过充导致电芯的直流内阻最大增加24.19％.【期刊名称】《广东工业大学学报》【年(卷),期】2018(035)004【总页数】6页(P94-99)【关键词】18650磷酸铁锂动力电芯;温度性能;产热行为;电化学性能【作者】张江云;张国庆;黄启秋;王烨【作者单位】广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州 510006【正文语种】中文【中图分类】TK112作为最早、最成熟、最稳定的锂离子电池，18650电芯的生产工艺一致性和安全性都达到了非常高的水平，前期主要应用在电子产品领域中[1-3]. 特斯拉（TESLA）纯电动汽车的成功运营极大地提高了18650电芯的动力电池市场占有率，提升了18650电芯在电动汽车及动力电池市场的无限潜力，同时使18650型电芯火热成为新能源汽车业界的首选[4-5]. TESLA的首款电动车型Roadster动力电池由6 831块18650电芯组成，最终实现电池组内各单体电池的温度差异控制在±2 ℃内，行驶10万英里后，电池组的容量仍能维持在初始容量的80%～85%[6-8].TESLA的Model S款纯电动汽车电池组（400 V/85 kWh）采用7 104节18650锂电池，从而实现百公里加速3.2 s, 续航440 km[9-11]. 而国内整车厂也将18650电芯应用电动汽车整车，比如江淮的IEV5采用18650电芯，最高时速为120 km/h，续航200 km；能量密度180 Wh/kg；同时新大洋、北汽、广汽、长城、长安等国内知名整车企业纷纷将18650型电芯作为主要的技术路线[12]. 由于18650电芯生产工艺的高度成熟和优良的一致性，国内电池乃至电动汽车厂商目前纷纷将18650动力电芯应用于电动汽车作为动力电源[13-14]. 但是对于自身选用的电芯乃至同行业的18650电芯的产热行为、产热机理并没有作深入的分析和研究，对于不同加工工艺生产的电芯产热量以及温度分析、热计算等没有系统的理论和实测数据作为支撑，这给企业在筛选电芯和使用过程中带来一定的困扰和阻碍，尤其18650电芯应用动力电池领域，更是对放电倍率、产热量及安全性提出更高标准要求. 作为电动汽车的“心脏”，关于动力电池快速充放电过程中产生的过热及散热问题，目前有用石墨烯修饰的正极材料能够很好地解决快速充放电的问题和快速散热的问题，以5C以上速率充放电超过1万次，容量下降小于10%[15]；中国科学院深圳先进技术研究院研发的柔性超快充放电池，具有120 C的超高倍率性能，依然可以保持232 Wh/kg的高能量密度，显著提升了电池的快充快放特性，同时保持了高能量密度和循环性能[16-17]，并大幅提升了电池的快充快放能力，以上更多是从材料学的角度，通过研发新材料及材料改性解决电池的安全性能和散热问题.本文主要从传热学和产业化应用的角度出发，对两款技术规格相似的进口和国产A 款和B款18650磷酸铁锂动力电芯在室温（25 ℃）、高温（55 ℃）和低温（–20 ℃）工况下不同放电倍率的温度性能进行实验测试，对比两种电芯在产热及温度性能上的差异，同时分析电芯在不同工况下的电化学性能差异，包括放电容量、放电时间和放电电压平台、交流阻抗. 并对两款电芯进行过充循环实验，分析过充循环后电芯直流内阻随不同荷电状态（State of Charge，SOC）的变化规律. 相关研究和数据将为产品的产业化应用提供一定的基础数据和理论指导，并为后续电池组的热管理系统设计提供产热数据及机理支撑.1 实验部分1.1 实验材料和设备实验采用两款技术规格相似的进口和国产18650磷酸铁锂动力电芯，分别标记为A款和B款，两款电芯的技术规格参数如表1所示.表1 电芯的技术规格参数Tab.1 Technical parameters of the cells标称电压/V 3.3 3.3标称容量/mAh 1 100 1 100最大充电电流/A 1.5 1.1充电截止电压/V 3.65 3.65最大持续放电电流/A 30 49.5放电截止电压/V 2.0 2.0电芯重量/g 39 38实验所用到的设备包括1台BTH-80C型高低温恒温恒湿实验箱、1台CT-3001W-50V120A-NTF型充放电柜、1台34901A型安捷伦（Agilent）以及1台装有测试软件的电脑主机构成，另外还有ZIVESP1电化学工作站、YR1030电池内阻测试仪. 测试实验平台如图1所示.图1 测试实验平台Fig.1 Testing scheme of experiment platform1.2 恒流充放电实验将电池搁置在对应温度定值运行的恒温恒湿箱中，当电芯正极、负极、中部3个测温点温度差值小于0.3 ℃且在目标环境温度范围（±0.5 ℃）内时, 对A款和B款18650型磷酸铁锂动力电芯分别在室温工况（25 ℃）、低温工况（–20 ℃）以及高温工况（55 ℃）下使用1 C恒流充电，待达到充电截止电压3.65 V时，恒流充电过程结束；接下来恒压充电过程开始，待截止电流达到238 mA时，整个充电过程结束. 搁置20 min，当电芯正极、负极、中部3个测温点温度波动最小温度接近一致，且降温至目标环境温度范围（±0.5 ℃）时，并在各个对应温度环境工况下不同倍率放电，分别是0.5 C、1 C、3 C、5 C、10 C，放完电后搁置15 min使电池表面温度完全冷却. 电芯放电过程中分别对其正极、负极和几何中部位置布置T型热电偶进行温度采集，温度采集时间间隔为1 s，具体如图2所示.图2 电芯实验过程测温点分布Fig.2 Thermocouple arrangement in the experiment1.3 电芯交流阻抗测试用ZIVESP1电化学工作站对A款和B款全电池进行交流阻抗测试，测试振幅为5 mV, 测试频率为0.001 Hz～100 kHz.1.4 电芯过充循环后不同SOC的内阻测试对A款和B款电芯分别挑选两个一致性较好的电芯，其中一个标记为正常电芯，记为NB，另外一个充电上限电压设置为3.9 V，反复过充10 次，标记为OB.对两款电芯在室温工况下进行30次正常充放电循环，循环的具体流程为：先搁置5 min，等电池的电化学稳定；开始以恒流1 C充电，当电压达到截止电压3.6 V时，恒流充电结束；然后以3.6 V进行恒压充电，当电流达到截止电流时，充电完成，搁置20 min，然后以10 C的电流进行放电，直到达到截止电压2.0 V，放电完成，即一次充放电循环完成；最后进行搁置20 min. 进行下一次充放电循环. 循环结束后，首先将A款和B款动力电芯在室温（25 ℃）工况下以1 C恒流充电至截止电压3.6 V时，恒流充电结束；然后以3.6 V进行恒压充电，当电流达到截止电流238 mA时，电芯充电结束，搁置20 min，以1 C恒流放电，放电容量为额定容量的5%，放电结束后，对电芯内阻进行测试. 之后以放电容量为额定容量的5%作为间隔点，对其他SOC荷电下的内阻进行测试，直至电芯放电完毕，测量SOC 从0%～100%的电芯直流内阻.2 结果与讨论2.1 温度性能对比分析两款电芯分别在室温（25 ℃）、高温（55 ℃）和低温（–20 ℃）环境下分别以0.5 C、1.0 C、3.0 C、5.0 C和10.0 C放电，倍率逐渐地从低到高，温度性能测试结果分别如图3 ～ 5所示.图3 室温工况（25 ℃）下电芯温度性能对比Fig.3 Temperature comparison under room temperature condition(25 ℃)图3表明在室温（25 ℃）测试环境下，A款和B款电芯的温升速率都随着放电倍率的增大而增大.在0.5 C、1 C、3 C、5 C、10 C这5个不同测试倍率下，A款对应的最高温度分别是25.7 ℃、26.3 ℃、30.3 ℃、35.4 ℃、43.5 ℃，而B款对应的最高温度分别比A款电芯高出了0.39%，3.04%，5.28%，0.28%，13.1%，10 C放电时，最高温度达到了49.2 ℃，且B款的升温速率始终高于A款电芯. 图4 高温工况（55 ℃）下电芯的温度曲线Fig.4 Temperature curves change under higher temperature condition(55 ℃)图4表明在高温（55 ℃）测试环境下，A款和B款电芯的温升速率都随着放电倍率的增大而增大.随着放电电流的增加，A款对应的最高温度分别是54.9 ℃、55.4 ℃、57.4 ℃、59.5 ℃、65.5 ℃，而B款对应的最高温度分别是54.9 ℃、55.3 ℃、57.8 ℃、61.1 ℃、69.8 ℃. 高温环境下，电池的电化学反应比常温激烈，导致放电电流较小时，两款电芯的温升速率和最高温度基本接近，放电倍率达到10 C时，B款电芯的最高温度比A款高出6.56%，达到接近70 ℃，相对于室温，最大温度增加了41.9%. 对比图3可以看到，在高温情况下，随着放电倍率的增大，A款电芯和B款电芯的温升速率以及最高温度对应的差值都比在室温环境下的大，充分说明高温环境温度对电芯热性能的加速恶劣影响.图5 低温工况（–20 ℃）下两种电芯温升曲线Fig.5 Temperature rise curves under ultra-low temperature condition(–20 ℃)由图5可以得到，在低温（–20 ℃）测试环境下，A款电芯和B款电芯的测试放电时间都小于理论放电时间，并且B款电芯的放电时间远小于A款电芯，在0.5 C、1 C、3 C放电倍率下对应的理论放电时间为7 200 s、3 600 s、1 200 s，而A款电芯在低温环境下实际放电时间为4 234 s、1 713 s、342 s，B款对应的放电时间为571 s、227 s、33 s，放电时间的减少表明放电容量的衰减，因此进口电芯的低温性能优于国产电芯. 由于在低温环境下电解液变得黏稠，内阻增加，电化学性能急速下降，所以在低温工况下，实验只在在0.5 C、1 C、3 C这3个不同倍率下测试，高倍率的放电实验已无法正常开展. 随着放电电流的增加，A款对应的最高温度分别是–15.6 ℃、–13.1 ℃、–5.1 ℃，而B款对应的最高温度分别是–16.9 ℃、–16.3 ℃、–17.1 ℃，低温工况下A款的最高温度始终高于B款，表明低温工况下A款的热性能优于B款，且放电时间长有助于电动汽车整车续驶里程的增加.2.2 放电容量对比低温环境下，电解液变得黏稠，电芯内阻增大[18-19]，不同环境温度对电芯的放电时间和放电容量具有直接的影响，进而影响电动汽车的续驶里程和电池组的循环寿命. 因此对电芯1 C和3 C放电电流下的放电容量进行分析，测试结果具体见图6和图7.图6 两款电芯不同环境工况下放电容量对比Fig.6 Discharged capacity comparison analysis根据图6，在室温（25 ℃）和高温（55 ℃）测试环境和1 C、3 C放电倍率下，A款和B款电芯的放电容量基本接近. 在低温（–20 ℃）环境下，A款电芯和B款电芯的放电容量相差较大，1 C倍率放电情况下，A款电芯的放电容量衰减到46.59%，B款电芯衰减到6.16%；在3 C倍率放电情况下，A款电芯的放电容量衰减到28.25%，B款电芯放电容量衰减到2.65%.随着倍率的增加，电芯的容量衰减速率上升，且放出的电量呈现急剧下降的趋势，低温工况直接影响电芯的放电时间和放电容量，容量衰减过快也影响电动汽车整车的续驶里程.2.3 低温工况下放电电压平台分析图6表明低温工况导致A款和B款两款电芯的放电容量有严重的衰减，尤其是B 款电芯3 C放电时，只能放出2.65% 的电量，几乎已经放不出电量. 低温对两款电芯的放电平台影响见图7.图7显示在低温环境下，随着放电倍率的增加，电池放电平台逐渐降低. 且大电流放电时，放电电压平台呈现直线式下降. 当放电电流为5.0 C时，放电时间仅为3 s，放电初始电压只有2.123 6 V，放电电压平台几乎已经损失，放电初始电压低于标称的3.2 V. 同时，不同倍率下A款电芯放电平台始终比B款的要大，所以A 款电芯在低温下放电容量衰减率才比B款电芯低，保证相同倍率下更多的电量释放.图7 不同倍率放电工况放电电压平台对比（–20 ℃）Fig.7 Discharge platform comparison under ultra-low temperature condition2.4 交流阻抗的对比18650电池的EIS图谱可以按照组合阻抗、界面阻抗、反应阻抗进行解释[20]. 阻抗图谱与横轴的截距为组合电阻，主要体现两电极和电解液/隔膜的电子导电率和离子导电率，高频半圆分别代表的是电化学反应阻抗和双电层电容，界面阻抗包括两个方面：固体电解质膜的阻抗和电容，这一部分则是由中频区的半圆来表示，Warburg阻抗体现为低频区的斜线，与锂离子在电解液之间的扩散以及在活性材料表面相关. 由于高频区和中频区的两个半圆覆盖度高，不易区分，通常把两部分作为整体进行研究[21-22].对A款和B款全电池进行室温工况下的交流阻抗测试，结果如图8所示，并对测试数据进行分析.图8 两款全电芯的交流阻抗对比Fig.8 Comparison analysis of electrochemical impedance spectroscopy所有交流阻抗图谱均由高频区的圆弧和低频区的斜线组成，分别表示电荷转移过程和扩散过程的阻抗信息，而由交流阻抗图谱可以看出，A款电芯的圆弧半径大于B 款电芯的圆弧半径，表明A款电芯的交流阻抗偏大.2.5 过充循环后内阻的对比过充循环后不同荷电状态下（State of Charge,SOC）的测试结果反映电芯在过充后离子/电子的迁移能力和电解质的扩散/传递能力，具体测试结果见图9.图9 不同SOC下电芯的直流内阻对比Fig.9 Internal resistance change trend with different SOC图9表明两款电芯均随着SOC的增加内阻逐渐下降，且A款电芯的内阻始终高于B款电芯. 对于A款和B款电芯，随着SOC的增加，正常电芯的内阻变化趋势相近，而过充时电芯的A款电芯内阻最高达到25.21 mΩ，B款电芯达到12.94 mΩ. 过充后两款电芯的内阻均有增加，表明过充额外导致的能量摄入提升了电子/离子迁移率，也导致产热量的增加.3 结论本文通过对A款、B款电芯进行室温（25 ℃）、低温（–20 ℃）、高温（55 ℃）工况下不同放电倍率的温度性能测试，同时对电芯的电化学性能进行了对比分析，包括放电电压平台和放电容量、交流阻抗和直流内阻, 以上测试数据将对电池组产热量及模拟分析提供一定的参考依据，并为后续的电池组热管理系统设计提供理论基础. 基于以上实验测试，得出如下结论：(1) 电芯工作环境温度直接影响其温度性能，无论什么工况，电芯的温度随着放电倍率的上升呈上升的趋势，而且倍率越高，温升曲线斜率越大，表明单位时间内产生的热量越高；低倍率放电时，A款和B款电芯温度性能接近，当55 ℃环境10 C放电时，B款电芯达到70 ℃，而A款电芯接近66 ℃.(2) 低温工况严重影响电芯的电化学性能. 大电流放电时，A款电芯放出电量28.25%，B款电芯仅能放出2.65%的电量；5 C放电时，B款电芯几乎已经失去了正常的放电电压平台.(3) A款电芯的直流内阻和交流阻抗均高于B款电芯. 过充导致电芯的内阻最高增加24.19%，且电芯的直流内阻随着荷电状态的增加逐渐减少.参考文献：[1] WU W W, WU W, WANG S F. Thermal optimization of composite PCM based large-format lithium-ion battery modules under extreme operating conditions [J]. Energy Conversion and Management, 2017, 153: 22-33. [2] WU W W, YANG X Q, ZHANG G Q, et al. An experimental study of thermal management system using copper meshenhanced composite phase change materials for power battery pack [J]. Energy, 2016, 113: 909-016.[3] 饶中浩,张国庆.电池热管理[M].北京:科学出版社,2015.7-8.[4] HUO Y T, RAO Z H, LIU X J, et al. Investigation of power battery thermal management by using mini-channel cold plate [J]. Energy Conversion andManagement, 2015, 89:387-395.[5] RAO Z H, WANG S F. A review of power battery thermal energy management [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(9): 4554-4571.[6] 吴忠杰, 张国庆. 混合动力车用镍氢电池的液体冷却系统[J]. 广东工业大学学报, 2008, 25(4): 28-31.WU Z J, ZHANG G Q. The Liquid cooling system of theNi-MH battery pack for hybrid electric vehicles [J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2008, 25(4): 28-31.[7] XU F, HE H, DUN C, et al. Failure investigation of LiFePO4 cells under overcharge conditions [J]. Journal of the Electrochemical Society, 2012, 159(5): 678-687.[8] 刘文刚,周波,王晓丹, 等. 18650型锂离子电池的循环容量衰减研究[J]. 电源技术, 2012, 36(3): 306-309.LIU W G, ZHOU B, WANG X D, et al. Capacity fadingof 18650 Li-ion cells with cycling [J]. Chinese Journal of Power Sources, 2012, 36(3): 306-309.[9] 李新静, 张佳瑢, 魏引利, 等. 锂离子动力电池的温升特性分析[J]. 材料科学与工程学报, 2014, 32(6): 908-912.LI X J, ZHANG J R, WEI Y L, et al. Analysis of specific heat of Lithium-ion power battery [J]. Journal of Materials Science and Engineering, 2014, 32(6): 908-912.[10] 钟其水, 李树军, 黄波, 等. 圆柱18650锂离子动力电池放电及温度特性[J]. 电子科技大学学报, 2014, 43(2): 311-314.ZHONG Q S, LI S J, HUANG B, et al. Discharge and temperature characteristics of Li-ion batteries [J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China,2014, 43(2): 311-314.[11] ANDREY W G, SEBASTIAN S, et al. Thermal runaway of commercial 18650 Li-ion batteries with LFP and NCA cathodes-impact of state of charge and overcharge [J]. RSC Advances, 2015, 5(70): 57171-57186. [12] RAO Z H, QIAN Z, KUANG Y, et al. Thermal performance of liquid cooling based thermal management system for cylindrical lithium-ion battery module with variable contact surface [J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 123: 1514-1522.[13] 王子缘, 张国庆, 高冠勇, 等. 18650圆柱形电芯的产热行为研究[J]. 广东工业大学学报, 2017, 34(1): 45-49.WANG Z Y, ZHANG G Q, GAO G Y, et al. A study of heat generation behavior of 18650 cylindrical battery [J]. Journal of Guangdong University of Technology, 2017, 34(1): 45-49.[14] WANG Q C, RAO Z H, HUO Y T, et al. Thermal performance of phase change material/oscillating heat pipe-based battery thermal management system [J]. International Journal of Thermal Sciences, 2017, 34(1): 45-49. [15] 张国庆, 马莉, 张海燕, 等. HEV电池的产热行为及电池热管理技术[J]. 广东工业大学学报, 2008, 25(1): 1-4.ZHANG G Q, MA L, ZHANG H Y. Heat generation behavior of EV battery and its thermal management technology [J].Journal of Guangdong University of Technology, 2008,25(1): 1-4.[16] YUAN Q F, ZHAO F G, WANG W D, et al. Overcharge failure investigation of lithium-ion batteries [J]. Electrochimical Acta, 2015, 178: 682-688.[17] RAO Z H, WANG S F, ZHANG G Q. Simulation and experiment of thermal energy management with phase change material for ageingLiFePO4 power battery [J]. Energy Conversion and Management, 2011, 52: 3408-3414.[18] LIAO X, MA Z, GONG Q, et al. Low-temperature performance of LiFePO4/C cathode in a quaternary carbonatebased electrolyte [J]. Electrochemistry Communications, 2008,10(5): 691-694.[19] RAO Z H, WANG S F, ZHANG Y L. Thermal management with phase change material for a power battery under cold temperatures [J]. Energy Sources, Part A: Recovery,Utilization and Environmental Effects, 2014,36(20): 2287-2295.[20] ZHAO Y H, LIU M X, DENG X X, et al. Nitrogen-functionalized microporous carbon nanoparticles for high performance supercapacitor electrode [J]. Electrochimica Acta,2015, 153: 448-455.[21] YANG X Q, LI C F, FU R. Nitrogen-enriched carbon with extremely high mesoporosity and tunable mesopore size for high-performance supercapacitors [J]. Journal of Power Sources, 2016, 319: 66-72.[22] 张文华, 裴锋, 刘平, 等. 磷酸铁锂电池循环过程中电化学交流阻抗研究[J]. 电源技术, 2015, 139(1): 54-57.ZHANG W H, PEI F, LIU P, et al. Electrochemical impedance analysis of LiFePO4/C batteries in cycling process [J].Chinese Journal of Power Sources, 2015, 139(1): 54-57.。
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15483 个，该尺寸网格可以保证其结果的收敛性[7]。18650 锂 离子电池网格划分如图 2 所示。
图 2 18650 锂离子电池单体网格划分
3、计算结果及分析
图 1 简化 18650 锂离子电池单体模型 2.2 材料参数
选择磷酸铁锂电池作为分析对象，根据电池单体分配材 料属性，设置电池各个材料的比热容和热传导系数。材料参 数[4]如表 1 所示。
18650 lithium ion battery based on ANSYS Steady state thermal analysis
Yu Xiaoqing, Chen Guoxi, Zou Jialin, Chen Dongyun, Wang Xuanyi ( Institute of advanced manufacturing engineering of chongqing university of posts and
引言
1、仿真计算理论依据
锂离子电池因其大容量、高电压、良好的安全性能及循 环性能等优越性能广泛应用于电动汽车行业[1]，但其在使用 过程中过度放热会引起电池内部温度异常升高，缩短电池的 使用寿命，因此需要对电池温度场分析研究[2]。本文利用 ANSYS 软件，建立 18650 锂离子电池单体模型，进行热分 析研究，对 18650 锂离子电池在使用过程中的温度场分布进 行模拟,得到热分析结果。在实际工程中，该分析结果为锂离 子电池温度场的分布测定和优化设计提供了一定的理论依 据。
telecommunications, Chongqing 400065 )
Abstract: Lithium-ion batteries superior performance is widely used in electric cars, but in use process will be a large number of fever, pose a safety hazard. For 18650 lithium battery monomer three-dimensional model is established, using the finite element analysis software ANSYS to simulate its specific operating mode, 18650 lithium-ion battery monomer the temperature field of hot condition. Keywords: 18650 lithium batteries; ANSYS; The steady state thermal analysis; The temperature field CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-18-02
为
电池电压随温度变化的温度系数，一般取值-0.5×10-3 V/K。
19
汽车实用技术
2017 年第 7 期
2、仿真分析
2.1 有限元模型 18650 锂离子电池单体为螺旋结构，在进行热分析时由
于生热主要为正负极，其它部分为次要因素。因此分析时对 模型进行简化。简化后的 18650 锂离子电池单体模型如图 1 所示。
电池内部结构及反应机理相对复杂，且有软件运算能力
有所限制，因此对 18650 锂离子电池进行以下简化假设：电
池内部电解液流动性较差，忽略内部对流换热；电池内部辐
射对散热影响较小，忽略不计；热量在电池内部均匀产生。
根据假设，建立电池稳态传热、内部生成热数学模型[3]：
q¢¢
=
-k
dT dx
Q
=
I V
(Uoc
10.16638/ki.1671-7988.2017.07.008
基于 ANSYS 的 18650 锂离子电池单体稳态热分析
余小清，陈国喜，邹嘉林，陈东云，王宣懿
（重庆邮电大学先进制造工程学院，重庆 400065）
摘 要：锂电池性能优越广泛应用于电动汽车,但在使用过程中会大量发热，存在安全隐患。针对 18650 锂电池单体 建立了三维模型，利用有限元分析软件 ANSYS 模拟其特定工况，得到了 18650 锂电池单体发热状态下的温度场。 关键词：18650 锂电池；ANSYS；稳态热分析；温度场 中图分类号：U469.7 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)07-18-02
-U
-
t
dUoc dt
)
（1） （2）
式（1）中，q¢¢ 为热流密度，k 为导热系数；式（2）中，
Q 为电池内部单位体积生热率，V 为电池的总体积，Uoc 为电
作者简介：余小清（1996-），女，就读于重庆邮电大学，机械设计 制造及其自动化专业。
池的开路电压，U
为电池的工作电压，t
为电池温度；
dUOC dt
表 1 材料参数
根据建立的锂离子电池单体温度场有限元模型，用 ANSYS 进行了热仿真分析[8]，得到了锂离子电池单体温度场 在热传导为主要传热方式下的温度场分布如图 3 所示。
图 3 18650 锂离子电池单体温度场
2.3 载荷与约束 在热分析中，基本传热方式有热传导、热对流和热辐射
三种[5]。对于 18650 锂离子电池单体，热对流及热辐射影响 较小，主要考虑热传导的传热方式其载荷方式为内部热生成 率，内部热生成率根据式（2）计算所得如下表 2。
表2
4、结语
本文从理论与仿真分析完成了 18650 锂电池单体的热分 析，从图 3 可知，18650 锂离子电池单体最高温度为 42.08°C， 最低温度为 41.69°C。在实际工程中，该分析结果为锂离子 电池温度场的分布测定和优化设计提供了一定的理论依据。
参考文献
对电池模型进行稳态热及瞬态热分析，施加温度载荷、 对流载荷及热生成载荷。一般空气自然对流系数 5～ 25W/(m2×K)，考虑 18650 锂离子电池在电池包中所处环境为 中一般对流[5]，故对流换热系数大致选定为 10，施加对象为 模型外壳表面，环境温度为 22℃。 2.4 网格划分