今天正好有些時間,想起前段時間以來有網(wǎng)友問我關(guān)于鋰離子電池單體如何分析,下列就ansys軟件,簡單的說下過程及注意事項。
過熱的危害
首先應(yīng)會從單體電池的角度闡述過熱的危害,我簡單的說一下:電池的組成部分包含電解液、正負極材料、隔膜,銅鋁箔等各種材料,溫度過高會加速電池的老化速率,當電池的溫度如果超過120℃,首先隔膜會收縮,而且正負極材料也會發(fā)生分解,電池內(nèi)部會發(fā)生一系列的熱反應(yīng),種種問題會造成不安全的因素,因而在電池設(shè)計時需要考慮電芯單體的溫度性能,來確定電池的倍率放電能力。
一般來說除了電池內(nèi)部發(fā)生嚴重的短路,溫度在正常情況下不會超過120攝氏度。
建議沒有電化學(xué)基礎(chǔ)的,先了解一下電池的原理及組成,這樣有助于電池幾何體的建模和產(chǎn)熱的行為分析。
我們經(jīng)常從網(wǎng)上看到一些圖片關(guān)于單體的溫度性能,如下圖:
這樣的分析結(jié)果到底對不對呢,如何精確的得到此圖,這需要自己的掌握了。
下列以本人在幾年前做的一個單體的分析來說明過程:
1.電池參數(shù)獲取
導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容是關(guān)鍵的兩個因素
首先電池參數(shù)的獲取,下列給大家列出一個實例,里面參數(shù)需要大家和電池供應(yīng)商去溝通。
此圖中的參數(shù)是某款磷酸鐵鋰電池的物性參數(shù)。具體體積數(shù)據(jù)需要計算測量。
由此數(shù)據(jù)可以計算電池的比熱容,導(dǎo)熱系數(shù),密度等數(shù)據(jù)。
首先需要確定電池卷心的結(jié)構(gòu)方式,是層疊式還是卷繞式。比如層疊式,可以數(shù)一下極片的層數(shù),可以完成體積的測量。
有上式可以確定電池的導(dǎo)熱系數(shù)。
關(guān)于比熱容,可以用加權(quán)法來計算,這里不再贅述。
關(guān)于電池的內(nèi)阻,一般用直流內(nèi)阻來計算發(fā)熱量。
2.關(guān)于電池的建模
針對單體模型的建模程序:包含電芯部分(包括正極片、負極片、隔膜等)作為一個單元進行模型的建立,作為發(fā)熱源。其他部分根據(jù)根據(jù)單體實際模型與尺寸進行建模和設(shè)置相關(guān)個更變參數(shù),包含極耳、極柱、殼體等主要傳熱部件。
(A)幾何模型
1)對于電芯而言,不再分成一片一片的正負極單片,而是將整個電芯擬合為一個整體來考慮,其具有新的物性和形狀;
2) 對將極耳和正負電極連接起來的金屬片而言,根據(jù)單體實際模型進行建模,其物性參數(shù)取當量值;
3) 極耳連接出電極后,各片之間緊密相靠,形成一個整體,厚度為各片厚度之和;
4)電池內(nèi)部空腔部分空氣不考慮其流動性,極堆單體之間的液體不考慮流動。
上圖為國內(nèi)某公司20Ah 磷酸鐵鋰電池的幾何體模型。
3.關(guān)于物理模型假設(shè)
1) 在充放電過程中,只考慮直流內(nèi)阻的影響;
2) 不考慮電池實際充放電過程中的體積變化及壓力變化,僅僅考慮電芯、隔膜、極耳、殼體等之間的傳導(dǎo)作用;
3) 將空氣視為理想氣體,忽略由于溫度、壓力變化引起的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)的變化,而視其為定值;
4) 假設(shè)放電過程中,無副反應(yīng)發(fā)生。
4.有限元分析
首先網(wǎng)格的劃分要注意小尺寸,一般電池的外殼一般厚度僅僅1mm,因此在外殼和卷心之間需要做一些接觸,對此需要計算資源。關(guān)于對流換熱系數(shù),因這里是自然對流,常規(guī)的數(shù)值5~10W/m2.K即可。環(huán)境溫度25℃。
對比發(fā)現(xiàn),仿真和實驗的誤差比較小。
注:此處較大溫差是電芯中部溫度與表面溫度的實驗組差值!
5.關(guān)于電池的熱源問題
電池模塊的熱來源、產(chǎn)熱速率、電池?zé)崛莸扔嘘P(guān)參數(shù),與電池的本質(zhì)密切相關(guān)。電池放出熱量取決于電池的化學(xué)、機械、電學(xué)本質(zhì)和特征,特別是電化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。電池反應(yīng)中產(chǎn)生的熱能,可以用電池反應(yīng)熱Qr來表示;電化學(xué)極化使電池實際電壓偏離其平衡電動勢,而由電池極化引起的能量損失用Qp來表示。更多的分析,各位可以看看文獻,不過個人覺得非常復(fù)雜,其實可以簡化一下,用內(nèi)阻和電池的溫度系數(shù)既可以。
6.總結(jié)一下:
fluent軟件和ansys 瞬態(tài)熱分析軟件都可以完成分析,只不過建模有一些區(qū)別,對于單體的分析,不推薦使用fluent,一般ansys自帶的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析也比較方便,而且邊界條件的施加簡單。
如果需要計算極柱的溫度特性,在模型建立和網(wǎng)格劃分過程中,需要單獨對其處理,后期熱源的添加需要綜合考慮極柱次材料的內(nèi)阻。
本文來源:電動汽車網(wǎng),作者:大唐